Technologie – der Motor der Jenoptik.Aktualisierte 2. Aufl age
Sonderheft
Werkzeuge aus Licht.
Das kann nicht jeder.
Spiel mit den Wellenlängen.
Vielfalt nicht nur ingrau-oliv.
Technologien der Jenoptik –
das ganze Spektrum.
Licht ist in seinen Einsatzmöglichkeiten nahezu unbegrenzt.
Es steht für Entwicklung und Fortschritt. Licht arbeitet
schnell, leise, präzise und absolut zuverlässig. Schon
heute sind die Einsatzgebiete von Technologien rund
um das Licht aus unserem täglichen Leben nicht mehr
wegzudenken.
Jenoptik nutzt das Licht als industrielles Werkzeug.
Wir beherrschen seine Anwendung – von uns als die
photonische Kette bezeichnet – nahezu über das gesamte
Spektrum: vom Erzeugen von Licht (Laser) über das Formen
(Optik), das Erfassen (Sensorik) bis hin zu seiner Nutzung.
Hierauf konzentrieren wir uns. Hier haben wir unsere
Wurzeln, hier sind wir Weltklasse.
Vor Ihnen liegt eine Serie von Beiträgen, die in unserer
Hauszeitung „focus“ erschienen sind unter dem Motto
„Technologien sind der Motor der Jenoptik“.
Sie beleuchten intensiv unsere Technologien rund um das
Licht und noch etwas darüber hinaus und beschreiben die
Sparten, in denen Jenoptik tätig ist.
Sie sind herzlich eingeladen, unsere Anwendungen von
sichtbarem und unsichtbarem Licht kennenzulernen
– vom fernen Infrarot bis zum extremen Ultraviolett.
Entdecken Sie unsere optische Vielfalt, spielen Sie mit
den Wellenlängen, folgen Sie unseren Laserstrahlen und
erfahren Sie mehr über mechatronische Technologien.
10,6 μm
Wärmebildkamera 8 - 11 μm, Laser Range Finder 1064 nm
bei 7 - 14 μm
bei 1,8 - 5 μm
1064 nm (auch 532 nm)
910 nm
820 - 900 nm
808 oder 940 nm
650 - 904 nm
635 - 650 nm
633 nm
632 nm
628 nm/Rot 532 nm/Grün 446 nm/Blau
505 nm
457 - 532 nm
440 nm - 850 nm
430 nm - 1600 nm
400 nm - 750 nm
400 - 700 nm
bei 240 nm
unter 50 nm
0,62 - 6,2 nm
0,1 - 1 nm
30 μm
3000 nm = 3 μm
400 nm
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100 nm
750 nm
jenoptik-votan™
Sensorplattform osiris
Variocam®
Variotherm®
Diodengepumpter Festkörperlaser JenLas®
Rendezvous-Sensoren
Robot InVisio
Hochleistungs- diodenlaser
Laserdistanz-messmodul ldm
Linien-, Punkt-, Rotationslaser und Distanzmesser
jenfi zar®
jenmetar™
JenLas®WhiteLight
hommel-opticline
Diodengepumpter Scheibenlaser JenLas® d2
Jena Spaceborne Scannerjss 56
lc-Modulatoren
Spiegelausblickgruppe
ProgRes™-Kameras
uv-Objektive
euv-Komponenten
Röntgenmono-chromator mgu 01
Röntgenscanner dex 03
InhaltWerkzeuge aus Licht.
Fünf Jenoptik-Unternehmen, die sich ganz dem Laser verschrieben haben,beherrschen das gebündelte Licht und nutzen es für die verschiedensten
Anwendungen.
Das kann nicht jeder.Die Optikfertigung der Jenoptik ist eine der besten der Welt und produziert
dennoch fast ausschließlich für Nischenmärkte.
Spiel mit den Wellenlängen.Jenoptik agiert auf dem wachsenden Markt für Sensorsysteme.
Infrarotkameras, Mikroskopie, Profi fotografi e oder Wolkenhöhenmessung:Die Sparte Sensorik ist auf eine Vielfalt von Nischenmärkten eingestellt.
Vielfalt nicht nur in grau-oliv.Vielfältige mechatronische Technologien runden das Profi l der Jenoptik ab. Bei
der ESW GmbH entstehen die unterschiedlichsten Systeme für fast alles, was sich bewegt – zu Land, zu Luft und zur See.
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IMPRESSUM
Herausgeber: JENOPTIK AG, Public Relations, D-07739 Jena,Tel. (0 36 41) 65-22 55, Fax (0 36 41) 65-23 40
Verantwortlich i.S.d.P.: Katrin Lauterbach Redaktion: Katrin Lauterbach, Silvia Scharlock
Texte: Jana Dichelle Fotos: JENOPTIK AG
HT. Jenoptik-Unternehmen,
die sich ganz dem Laser
verschrieben haben,
beherrschen das gebün-
delte Licht und nutzen es
für die verschiedensten
Anwendungen.
5
Lasertechnologien
Was verbindet Augenoperationen mit Flug simula tion?
Wie kommen die Buchstaben auf die EC-Karten und
die Löcher in die Getränkepackungen? Klingt nach
Sendung mit der Maus, ist aber Jenoptik: In all diesen
Fällen ist Laserlicht im Spiel. Dass es für die unterschied-
lichsten Anwendungen zur Verfügung steht, ist auch
Jenoptik zu verdanken.
Zwischen Showspektakel und Mikromaterial-
bearbei tung.
Für die Ziffern und Buch staben, die auf einer EC-Karte
erhaben herausgestellt sind, werden Scheibenlaser ver-
wendet, ihre Strahlqualität ist besonders gut. Mit dem
Scheiben laser (siehe Glossar) nimmt sich der Jenoptik-
Geschäfts bereich Lasertechnik eines der jüngsten Laser
an – gerade mal seit 1995 ist er patentiert. Aber er hat
sich bereits die unterschiedlichsten Felder erobert, dank
seiner hervorragenden technischen Eigen schaften.
Scheibenlaser eignen sich unter anderem dafür, Plastik-
materialien zu bearbeiten und dünne Schichten punkt-
genau zu perforieren, damit etwa die Displays der
Autoradios im Dunkeln hinterleuchtet werden können.
In der Augenheilkunde helfen sie, die Netzhaut wieder
anzuschweißen, wenn sie sich etwa als Diabetes-Spät-
folge abgelöst hatte. Und damit nicht genug, sollen sie
dem Auge auch gefallen: Das grüne oder blaue Licht
von Scheibenlasern sorgt für Showeffekte.
Beispielsweise bei der Eröffnungszeremonie der olym-
pischen Sommerspiele 2004 in Athen strahlten vier
Weißlichtlaser der Jenoptik Skulpturen an, auch Spon-
soren hatten sich drei Projektoren für spektakuläre
Lichteffekte gesichert. Dieses strahlende Weiß hat Jen-
optik letztlich den Zuschlag verschafft. Weißes Licht per
Laser – das ist eine Kunst für sich. Denn da im weißen
Licht alle Spektralfarben enthalten sind, kom biniert man
6
in ausgeklügeltem Verhältnis mehrere diodengepumpte
Festkörperlaser, die je weils Licht einer bestimmten Wel-
lenlänge aus senden.
RGB-Laser: Hürdenlauf für neue Technologie.
Dabei ist der Weißlichtlaser gewissermaßen ein Abfall-
produkt – ein Derivat des Rot-Grün-Blau-Lasers (RGB).
Ihr Produkt: Laserprojektoren, die gestochen scharfe,
bewegte Bilder in brillanten Farben liefern – ge eignet für
große, sogar unebene Bildschirme. In zwischen hat sich
der Markt für RGB-Laser erweitert: In Planetarien, etwa
in Peking und seit Oktober 2006 auch in Jena, sorgt die
Ganz kuppel projektion nicht nur für die Simulation des
Sternen himmels und seiner Erscheinungen – der Projek-
tor stellt auch Videos und Grafiken an der sphärischen
Projektionsfläche dar, mit vollen 360 mal 180 Grad. Die
zweite große Anwendung sind Flugsimulatoren.
Hightech-Sprösslinge. Die Lasersparte der Jenoptik
Laser, Optik, Systeme nutzt das Know-how, das mit
dem RGB-Laser entstanden ist, gleich mehrfach und
hat es weiterentwickelt: Neben dem Weißlichtlaser für
Showanwendungen ist auch ein Werkzeug für äußerst
filigranes Arbeiten entstanden – ein Laser zur Mikro-
materialbearbeitung. Mit ihm lassen sich ge zielt Löcher
bohren, die nur wenige Mikrometer groß sind, etwa in
hochfeste Keramik. Zudem strukturiert er Kupfer und
Silizium und schneidet hochpräzise die einzelnen Chips
aus der fertig belichteten Wafer platte.
Ein weiterer wichtiger Abkömmling der RGB-Familie
folgt ebenfalls deren Bauweise, arbeitet aber mit 355
Nanometern im unsichtbaren UV-Spektrum. Dabei war-
tet er mit besonders kurzen Lichtimpulsen von weniger
als zehn Pikosekunden auf. Auch hier gibt es zahlreiche
Anwendungen: In der Druckindustrie strukturiert der
UV-Laser Druck platten, in der Elektronikindustrie belich-
Erzeugen von Licht: Jenoptik hat sich auf innovative Lasertechnologien
spezialisiert. Ihre Produkte sind gekennzeichnet durch exzellente
Qualität, hohe Effi zienz und lange Lebensdauer bei hervorragenden
Strahleigenschaften. Das Anwendungsspektrum des gebündelten Lichts
wird täglich breiter.
Lasertechnologien
Dass Laser kein Wort, sondern ein Akronym ist, ist manchem gar nicht mehr so recht bewusst: Es steht für »Light Ampli fication by Stimulated Emissi-on of Radiation«. Laser sind Ver stärker für elektro-mag netische Strah lung im Wellen längen bereich des sicht baren Lichts (400 bis 800 Nanometer) und der infra roten und ultravio letten Bereiche. Laser licht ist mono chroma tisch, sehr intensiv und scharf ge bün delt.
Die Vorgeschichte des Lasers wird oft mit Albert Einstein in Verbindung gebracht, der 1917 den Begriff der indu zierten Emis sion prägte. 1940 gelang dem sowje tischen Physiker W. A. Fabri-kant die erste Licht verstärkung. T.H. Mai man schuf 1960 den ersten Rubin-Laser, 1961 hatten A. Javan, W.R. Bennet und D.R. Herriot den ers-ten Gaslaser entwickelt, 1962 entstanden gleich-zeitig an verschiedenen Stellen Halbleiter-Laser. In der Industrie hieß es zunächst, der Laser sei eine Lösung auf der Suche nach einem Problem.
Ein Laser besteht aus einem licht ver stärkenden Material (Lasermedium), einer Energiequelle und zwei Spiegeln. Letztere wirken als optischer Reso nator, der die Strahlung in das Materi-al zu rückwirft. Zu sammen mit dem an ge regten Material entsteht ein rückge koppelter Laserver-stär ker. Das Laser me dium wird durch energe tische An regung gezwungen, elektromagne tische Strah-lung zu emittieren (ge pumpt). Als Lasermedium dienen Gase, Flüssigkeiten oder Festkörper.
Dioden- oder Halbleiterlaser sind die häu-figsten Laser, weil sie in Massen produkten wie C D - und DVD-Playern oder in der Tele kom-munikation genutzt werden. Sie lassen sich mit mikro elektronischen Methoden in großen Men-gen kostengünstig her stellen. Ihr Wirkungsgrad liegt um die 50 Prozent und damit besonders hoch. Das Standard material für Halbleiterlaser ist Gallium-Arsenid (GaAs), es sind aber auch Halbleiter materialien mit bis zu vier Komponenten in Gebrauch, etwa Galliumarsenid und Indium-phosphid (InGaAsP). Angeregt wird das Laser-medium durch Anlegen einer Span nung. Hochleis-tungs-Laser dio den ent stehen, indem mehrere Laser-dioden streifen kombi niert werden. Sie sind das Spezial gebiet der JENOPTIK Laserdiode GmbH.
Ein Festkörperlaser besteht aus einem Kristall zumeist in zylindrischer Form. In den Kristall ein-gelagert sind beispielsweise Ionen der Seltenen Erden – letztere bezeichnen in der Chemie die Element gruppe der so ge nannten Übergangsme-talle, die Ende des 19. Jahrhunderts in seltenen Mineralien ent deckt wurden. Der Yttrium-Alumini-um-Granat (YAG) ist einer der wich tigsten Festkör-
Laserbeg
riffe kurzg
efasst
Fortsetzung s. S. 9
Kleiner, leistungsfähiger,
effizienter: Die JENOPTIK
Laserdiode GmbH baut
kompakte Hochleistungs-
diodenlaser und hoch
effiziente Pumpquellen.
7Lasertechnologien
8
tet er Leiter platten per Laser Direct Imaging, und man
nutzt ihn, um Halbleiterwafer auf Fehler zu inspizieren.
Und auch ein so genannter Kontinuumslaser ist aus der
RGB-Familie hervorgegangen, dessen Spek trum vom
Blauen bis ins Infrarote reicht. Mit ihm liegt ein großes
Potenzial in den Händen der Jenoptik: Damit lassen
Aufgrund ihrer
hervorragenden Farbbrillanz
sind die RGB-Laser der
Jenoptik weltweit als
Showlaser für höchste
Ansprüche gefragt. Jenoptik
vertreibt die Laser unter dem
Namen JenLas® WhiteLight.
sich die verschie densten Wellenlängen des gesamten
Lichtbereiches einstellen. Anwendungen sind in den
unterschiedlichsten Feldern möglich – von der Laser-
mikroskopie bis zur Messtechnik.
Ihre Kompetenzen in der Mikromaterial bear beitung
stärkt die Jenoptik-Tochter seit 2004 mit der Innovavent
Lasertechnologien
9
per-Laserkristalle, der beispielsweise mit Neodym-Ionen dotiert wird. Die Kristalle werden durch Licht von Blitzlampen oder Laserdioden dazu angeregt, ihrerseits Laserlicht zu emittieren. Der Emissions-bereich von Festkörperlasern erstreckt sich vom sichtbaren Spektralbereich bis in das Infrarote.
Des diodengepumpten Festkörperlasers hat sich der Geschäftsbereich Lasertechnik der JENOPTIK Laser, Optik, Systeme GmbH frühzeitig angenommen. Er basiert im Grunde auf zwei Strahl-quellen: Das Licht aus dem Diodenlaser regt den Laserkristall des Festkörperlasers zur Emission von Laserlicht an. Mit den herkömmlichen Blitz- oder Bogenlampen wird nur ein Teil der Licht leistung, die der Laserkristall emittiert, in Laserstrahlung umgesetzt. Zudem wird das Lasermaterial stark aufgeheizt. Darunter leiden Strahlqualität, Gesamt-wirkungsgrad und die Laserleistung – typischer-weise wer den weniger als drei Prozent der zuge-führten elek trischen Leistung in Laser strahlung umgesetzt. Hingegen lässt sich die Strahlung von Diodenlasern präzise auf die Ab sorptionslinien der Festkörperlaserma terialien ab stimmen, der Kris-tall wird zudem weniger aufge heizt. Effizienz und Strahl qualität verbessern sich. Diodengepumpte Festkörperlaser können kompakter gestaltet wer-den, haben geringere Wartungs- und Betriebs-kosten, und die hohe Lebensdauer der Diodenla-ser lässt einen zuverlässigen und wartungs freien Langzeitbetrieb zu.
Scheibenlaser sind das andere Spezialge-biet des Geschäfts bereiches Lasertechnik der JENOPTIK Laser, Optik, Systeme GmbH. Es handelt sich um eine neue Sonderform des Festkörperla-sers, die erst 1993 am Institut für Strahl werkzeuge der Universität Stuttgart patentiert worden ist. Das Jenoptik-Unter nehmen ist hier Lizenznehmer und besitzt weitere eigene internationale Patente für diese Laserquellen. Das Wort Scheibe im Namen bezieht sich auf die Bauart des Lasers: Statt eines typischerweise zehn Zentimeter langen Laserstabs wird hier ein dünnes Scheibchen von nur 0,3 mm Dicke eingesetzt. Von einer Seite wird es flä-chig gekühlt, von der anderen mit Diodenlasern gepumpt. Während die Strahl qualität klas sischer Festkörperlaser von einer starken, so genannten »thermischen Linse« beein träch tigt wird – bedingt durch das Konstruktions prinzip – ist dieser Effekt beim Scheiben laser erheblich geringer. Die Strahl-qualität ist hoch und gleichbleibend, auch bei ver schie denen Ausgangs leis tungen. Die Kühlung funktioniert ohne Wasser, mit so genannten Pel-tier-Elementen. Dahinter verbergen sich thermo-elek trische Bauelemente. Ihr Na mens patron ist Jean Peltier, der eines der drei thermoelektrischen Gesetze entdeckte: Leitet man Gleichstrom durch
Fortsetzung s. S. 11
Laserbeg
riffe kurzg
efasstGmbH aus Göttingen, die sich auf Forschung und Ent-
wicklung in der Mikromaterialbearbeitung kon zen triert
– und dabei unter anderem auf den UV-Pikosekunden-
laser des Unternehmens zurück greift. Hier entsteht ein
Zukunftsmarkt.
Laserdiode: Gebündelte Energie. Alle Laser der
Unternehmens-Tochter Jenoptik Laser, Optik, Systeme
– seien es Schei ben- oder andere Formen von Festkör-
perlasern – wer den von Diodenlasern ge pumpt, und
dafür sitzt der Spezialist gleich im Gebäude nebenan:
Die JENOPTIK Laserdiode GmbH baut Hochleistungs-
diodenlaser, die effektivsten aller Laser-Lichtquellen.
Die exzellenten Diodenlaserbarren dafür bezieht die
Jenoptik Laserdiode von ihrer Tochtergesellschaft Jen-
optik Diode Lab in Berlin. Auf Halbleiterwafern aus
Gallium-Arsenid produziert das Team um Dr. Jürgen
Sebastian schmale Barren, die dann in Jena zu Hoch-
leistungsdiodenlasern weiterverarbeitet werden. Die
Jenoptik Diode Lab nutzt dabei die Forschungsergebnis-
se des Ferdinand-Braun-Instituts (FBH) gleich nebenan.
2002 ging das junge berliner Unternehmen als Spin-off
aus der Kooperation zwischen Jenoptik und dem FBH
hervor. Unter dem Strich steht nun ein Weltrekord: Das
Berlin-Jenaer Firmengespann hat in einer Versuchsan-
ordnung mit Hochleistungsdiodenlasern die 500-Watt-
Grenze durchbrochen. Üblich sind heute in der Industrie
40 bis 60 Watt. Und Ende 2007 sollen dann doppelt
so leistungsfähige Strahlquellen für den Markt bereit
stehen.
Und – noch einen wei teren Kunden hat die Jenoptik
Laserdiode in der unmittelbaren Nach bar schaft: Die
JENOPTIK Automatisierungs tech nik GmbH:
Lasermaschinen in Serie. Das Know-how
der Jenoptik Automatisierungstechnik liegt in
Lasermaschinen für die industrielle Serienproduktion.
Die Maschinen – das ist die Produktserie JENOPTIK-
VOTANTM, die inzwischen aus den fünf Produktfamilien
VOTAN A, C, G, P und W besteht, bearbeiten die
unterschiedlichsten Materialien per Laserstrahl. Sie
tragen ab, trennen, schweißen oder perforieren unter
anderem Kunststoffe, Leder, Textilien, Glas, Keramik,
Kartonagen und neuerdings auch Silizium.
Den Anfang der Erfolgsgeschichte machte die
JENOPTIK-VOTANTM P. Sie entstand 1992/93.
P steht für Packaging, und mit der Anlage lassen sich
Lasertechnologien
10
fl exible Packstoffe bearbeiten – beispielsweise bei der
industriellen Herstellung von Kartonverpackungen für
Getränke und Kunststofffolien. Der Laser schneidet
defi nierte Muster in die oberen Verpackungsschichten,
ohne sie dabei vollständig zu durchtrennen und
gewährleistet Dichtheit und Sterilität. Durch das
defi nierte Lasern wird das manuelle Öffnen einer
Verpackung wesentlich erleichtert.
Es folgte die JENOPTIK-VOTANTM A (A für Airbag),
eine Anlage, die Sollbruchstellen für Beifahrer-Airbags
perforiert. Diese Lasertechnologie ist in der Auto-
mobilindustrie weltweit anerkannt und entwickelte
sich zur erfolgreichsten Anlage der Jenoptik
Automatisierungstechnik – bereits 115 Anlagen dieses
Typs konnten in den letzten Jahren verkauft werden.
Inzwischen zieht die VOTAN-Familie auch in den
Reinraum: Mit der JENOPTIK-VOTANTM G (G steht
für Glas) lassen sich spröde Materialien wie Glas
oder Keramik berührungslos bearbeiten. In einem
Forschungsprojekt wird jetzt erkundet, ob mit dieser
Laseranlage auch Siliziumwafer geschnitten werden
können, auf die fertige Chipstrukturen aufgetragen
sind. Der Vorteil wäre eine hohe Kantenfestigkeit bei
wesentlich verbesserter Qualität.
Fast alle VOTAN-Familien arbeiten mit Kohlendioxid-
Lasern – einzige Ausnahme ist die JENOPTIK-VOTANTM
W. W steht für Welding (Schweißen) und die Laser-
schweißanlage für thermoplastische Kunststoffe
arbeitet mit Hochleistungsdiodenlasern der Jenoptik
Laserdiode. Beim Schweißen zielt der Laser einzig auf
den Bestimmungsort, berührungslos und kraftfrei.
Im Unterschied zu herkömmlichen Methoden durch-
strahlt der Laser einen Fügepartner und erzeugt die
Schweißnaht im Innern des Bauteils. Dabei eignet sich
die frei programmierbare VOTAN W sogar für 3D-
Anwendungen.
Die neueste Entwicklung der Jenoptik Automatisie-
rungstechnik entstand in Kooperation mit dem
österreichischen Unternehmen Stäubli Robotics.
Das Laserschneidsystem JENOPTIK-VOTANTM C Beam in
Motion (C = Cutting) integriert die Laserstrahlführung
vollständig in den Roboterarm und arbeitet so mit
äußerster Präzision und Bewegungsdynamik.
Lasertechnologien
Diodenlaser – die effektivsten aller Laserlichtquellen: Die JENOPTIK Diode Lab GmbH fertigt
Diodenlaserbarren auf Halbleiterwafern aus Gallium-Arsenid.
Häufi g war der Geburtsort einer neuen VOTAN-Anlage
das Kundenapplikationszentrum, das die Jenoptik
Automatisierungstechnik 2002 eröffnete. Vor Ort
können Kunden Serienanlagen testen und gemeinsam
mit den Jenoptik-Ingenieuren individuelle Lösungen
erarbeiten. Dabei entstehen immer neue Ideen, deren
wirtschaftliche Erfolge sich durchaus sehen lassen
können. Denn Werkzeuge aus Licht gewinnen an
Bedeutung – und prägen unauffällig, aber immer
stärker unsere technische Umwelt.
ein Metall (oder einen Halbleiter) und legt an des-sen Enden ein anderes Metall an, so erwärmt sich die eine Kontakt stelle, während sich die andere abkühlt. Und um gekehrt lässt sich aus Temperatur-differenzen Strom erzeugen. Der Effekt wird in den Peltierkühlungen genutzt.
Kohlendioxid- oder CO2-Laser stellt die JENOP-
TIK nicht selbst her. Sie emittieren infrarotes Licht und ihre Aus gangs leis tungen bis zu 100 Kilowatt prä desti nieren sie für die Material bearbeitung, etwa Schweißen oder Schneiden. Das Lasergasge-misch für einen CO
2-Laser enthält nicht viel Koh-
lendioxid, vielmehr besteht es zu 60 bis 85 Prozent aus Helium, zu 13 bis 55 Prozent aus Stick stoff und zu einem bis neun Prozent aus Kohlen dioxid, je nach Lasertyp und Her steller. Ein Gaslaser benö-tigt eine Hochspannungs quelle, um die Gasentla-dung anzu regen.
Excimer-Laser stellt die Jenoptik ebenfalls nicht her. Sie nutzen Edelgashalogenide als Lasermedi-um, die es über haupt nur im angeregten Zustand gibt, und liefern UV-Laserblitze mit guter Ausbeu-te. Sie werden eingesetzt, um Chipstrukturen mit Litho graphie-Systemen auf die Silizium scheiben (Wafer) aufzutragen. Für immer kleinere Chip-strukturen und damit leistungsfähigere Chips sind immer kürzere Wellenlängen des Lichts not wendig. Heute werden als Licht quellen Excimer-Laser der Wellenlänge 193 Nano meter verwendet. Dieses Prinzip der an geregten Edelgase lässt sich bis zur Stufe 157 Nanometer fortsetzen.
Zum Weiterlesen: http://www.vdi.de/vdi/organisation/schnellaus-wahl/techno/arbeitsgebiete/fue/laser/02553/index.php?param=laser (Laser und Optikforschung)
http://www.rp-photonics.com/ encyclopedia_de.html (Enzyklopädie der Laserphysik und Laser-technologie)
http://www.faszinationlicht.de/scripts/php/index.php
http://www.vs-c.de/Beitrag des Fachinformationszentrums Chemie Berlin und einer Gruppe von Hochschullehrern ver-schiedener Univer si täten im BMBF-Wettbewerb für Leitpro jekte zum Themenfeld:»Nutzung des weltweit verfügbaren Wissens für Aus- und Weiterbildung und für Innovationspro-zesse«, u.a. auch zum Thema Laser.
Laserbeg
riffe kurzg
efasst11Lasertechnologien
Die Optikfertigung der
Jenoptik ist eine der besten
der Welt und produziert
dennoch fast ausschließlich
für Nischenmärkte.
Optiktechnologien13
14
Im Geschäftsbereich Optik bei der JENOPTIK Laser,
Optik, Systeme GmbH sind die Grenzen der Vorstel-
lungskraft schnell erreicht. Es ist so leicht dahingesagt,
dass Präzision das tägliche Brot der Hochleistungsoptik
ist. Aber was das tatsächlich heißt, ist so schwer vor-
stellbar wie etwa die Entfernung der Erde zur Sonne,
die Winzigkeit eines Atoms oder eine Zahl mit ganz vie-
len Nullen. Und da ist noch nicht einmal Dr. Hans Lauth
eine Ausnahme, der den Geschäftsbereich leitet: Wenn
er die Präzision durchdekliniert, die in den Werkhallen
unter seinem Büro entsteht, ist ihm ein gewisses ehr-
fürchtiges Staunen nicht abhanden gekommen.
Genauigkeit, erklärt Dr. Lauth, wird bei optischen Ober-
flächen in Bruchteilen der Wellenlänge Lamb da
beschrieben. Bei einem Feldstecher, der auch schon
nicht gerade ungenau ist, komme man ungefähr auf
Lambda geteilt durch zwei. Im Geschäftsbereich Optik
der JENOPTIK Laser, Optik, Systeme GmbH treibt man
die Genauigkeit noch viel weiter: Auf Lambda geteilt
durch 30 – das sei hochgerechnet so, als stünde auf
einer Oberfläche von 500 Kilometern Durchmesser ein
einziger Maulwurfshügel – bis zu Lambda geteilt durch
100. Und das sei, als er höbe sich auf der gleichen Flä-
che von 500 Kilometern Durchmesser eine einzige
Ungenauigkeit in Erbsengröße.
»Das kann nicht jeder«, so Dr. Hans Lauths wenig über-
raschendes Urteil in eigener Sache. »Auf der ganzen
Welt gibt es einen erlauchten Kreis von weniger als
zehn Produzenten, so genannte Premiumsupplier, die
solche Qualitäten können.« Zeiss zählt dazu, Nikon,
Canon, ein japanischer Hersteller – und die Jenoptik.
Vollgepackt mit Optik. Der wichtigste Markt, für den
das Genaueste gerade gut genug ist, ist die Halbleiter-
equipment-Herstellung. Wohl und Wehe der winzigen
Chipstrukturen hängen von Anfang bis Ende an der
Optik: Zu Beginn und zwischen allen Fertigungsschritten
werden die Halbleiterwafer, aus denen Chips werden
sollen, auf Fehler inspiziert – und zwar mit optischem
Gerät. »Bei solchen Objektiven und Modulen«, so Hans
Lauth, »gehören wir zu den Marktführern.« Ebenfalls der
Kontrolle bedarf es ganz zum Schluss in der Back-End-
Fertigung: Nachdem die Wafer in der Front-End-Ferti-
gung strukturiert wurden, kommt in der Back-End-Ferti-
gung das Zerlegen und Packaging der Wafer in elektro-
nische Bauelemente. Optische Inspektionsmodule dafür
liefert der Bereich der Jenoptik Laser, Optik, Systeme.
Der teuerste Abschnitt der Halbleiterherstellung ist die
Lithografie, eine enge Verwandte der Fotografie. Hier
wird der Wafer Schritt für Schritt mit den Chipstruktu-
ren belichtet. Die dazu gehörigen Maschinen heißen
Waferstepper, und die sind mit optischen Systemen
vollgepackt. Damit die Halbleiterstrukturen entste-
hen können, kommt zunächst ein lichtempfindlicher
Lackfilm auf den Wafer. Dann folgt der Einsatz für die
Fotomaske, die das Abbild der gewünschten Struktu-
ren enthält – und dieses Abbild wird mit einem streng
monochromatischen Laserstrahl auf den Fotolack über-
tragen. Der Fotolack wird daraufhin entwickelt, und
ausschließlich die unbelichteten Stellen bleiben auf dem
Wafer stehen.
Bei der Miniaturisierung ist ein Ende nach wie vor nicht
abzusehen – und das, obwohl schon heute gelegentlich
die Zahl der Atome herangezogen wird, um die Winzig-
Formen und Lenken von Licht: Die Optikfertigung der Jenoptik zählt zur
Créme de la Créme in der Welt. Ihre Präzisionsoptiken genügen höchsten
Qualitätsansprüchen. Das besondere Know-how liegt in der Entwicklung
und Fertigung von Mikrooptiken, die Laserlicht präzise lenken und
formen.
Optiktechnologien
15
keit der Leiterdurchmesser anschaulich zu machen. Nach
wir vor werden die Chipstrukturen also immer kleiner.
Um sie herzustellen, braucht man immer kürzere Wel-
lenlängen des ultravioletten Laserlichts. Mit dieser Dyna-
mik müssen auch die optischen Systeme Schritt halten;
sie werden ständig verfeinert, verbessert, angepasst.
Glasbrocken im Wert eines Autos. Vor den Produk-
tionshallen in Jena-Göschwitz sind auf den Fluren Vitri-
nen aufgestellt, in denen einige der Produkte zu sehen
sind – und auf den unbedarften Betrachter wirken
sie völlig unspektakulär. Beispielsweise die Prismen-
baugruppen, die wie schlichte Glasbrocken anmuten,
obwohl man sich von ihrem Gegenwert locker einen
Mittelklassewagen kaufen könnte. Denn sie haben
innere Werte: Die Prismen sorgen für einen äußerst
parallelen Laserstrahl. Auch in der Mikromaterialbear-
beitung sind die optischen Komponenten nützlich – hier
können sie den Laserstrahl so formen, dass am Ziel bei-
spielsweise ein exakt runder oder ein elliptischer Punkt
entsteht. So werden zum Beispiel die Tintenlöcher in
die Druckerpatronen gelasert. In jedem Fall muss das
Quarzglas hochrein sein – weshalb schon die Glasliefe-
ranten, beispielsweise Schott, ihr Scherflein zur Qualität
beitragen. Bei der Jenoptik werden die Komponenten
dann aufwändig bearbeitet. Zunächst wird geschliffen,
dann in mehreren Schritten poliert, zum Teil mit Ionen-
strahlverfahren.
»Was wir hier machen«, so Hans Lauth, »ist für Massen-
märkte uninteressant. Wir sind vollkommen auf High-
End-Abnehmer spezialisiert.« Neben Prismen stattet
sein Geschäftsbereich die Halbleiterbranche auch mit
Interferenz-Filtern aus, die nur Licht einer genau defi-
nierten Wellenlänge passieren lassen und damit für den
streng monochromatischen Strahl sorgen. Hinzu kom-
men Ultraviolett-Laserspiegel, bei denen es besonders
um ein langes Leben geht. Der Laser setzt dem Material
zu, womit sich die optischen Parameter verschlechtern
und der Spiegel ersetzt werden muss. Der Ehrgeiz der
Optikfertigung richtet sich darauf, dass dieser Zeitpunkt
möglichst spät eintritt.
Ob Mikro- oder Kunststoffoptik –
die optischen Systeme der Jenoptik
ermöglichen vielseitige neue
Lösungen in der Halbleiterfertigung
aber auch in der Messtechnik,
Medizin und Materialbearbeitung.
Goldene Hände. Die meisten der Produktionshallen
darf nur vom Flur aus durch die Glasscheibe besehen,
wer nicht zuvor ins Reinraumhabit geschlüpft ist. Staub-
freies Arbeiten ist ein Muss. Und auch die sündhaft
teuren Maschinen, die mit Diamanten drehen oder mit
Ionen strahlen, müssen sich an höchsten Standards
messen lassen. »Deshalb kooperieren wir auch oft mit
den Maschinen-Herstellern, damit sie unsere Parameter
erfüllen können«, so Dr. Hans Lauth.
Die ganze Präzision verdankt die Jenoptik also ihrer
überlegenen technischen Ausstattung... Die ganze?
Nein! Eine unbeugsame Bastion von Feinoptikern hört
nicht auf, computergesteuerte Maschinen mit der
Arbeit ihrer Hände in den Schatten zu stellen. Es klingt
unglaublich, dass das Polieren per Hand wie eh und je
in diese Welt der winzigsten Abweichungen gehört:
Pechpolitur heißt dieser Schritt, und er ist einer von
vielen, um zu hochpräzisen Linsen zu gelangen. »Dabei
wirkt das Pech wie ein sich immer erneuerndes Schleif-
papier«, sagt Hans Lauth. Um die nötige Handfertigkeit
zu erreichen, genüge keineswegs die normale Lehrzeit
von drei Jahren. Mindestens fünf Jahre müssten diese
»goldenen Hände«, wie sie ehrfürchtig genannt wer-
den, weiter üben. Nur 20 bis 30 Prozent jener, die sich
auf diesen Weg begeben, gelänge es überhaupt, ein
solches Niveau zu erreichen. »In der Branche hatte man
vor einigen Jahren gemeint, ohne diesen Polierschritt
auszukommen, weil die CNC-Technik recht weit fortge-
schritten ist«, so Dr. Lauth. Doch nach und nach sind all
die Spitzenoptikproduzenten in der Welt reumütig zu
den goldenen Händen zurückgekehrt, denen es gelingt,
Maschinen den Rang abzulaufen.
Aus allen Nähten platzend. In den Hallen der Optik-
fertigung wird im Zwei- und Dreischichtbetrieb gear-
beitet: Seit Bestehen der Jenoptik kann der Bereich auf
stetig steigende Wachstumskurven verweisen. Im Jahr
2000 war ein neues Fertigungsgebäude hinzugekom-
men, das die Produktionsfläche verdoppelt – und heute
schon wieder aus allen Nähten platzt.
Während sich große Teile der Industrien gen Asien ver-
abschieden, ist die Produktionsverlagerung bei der Jen-
optik Laser, Optik, Systeme für Hans Lauth heute kein
Thema. Dennoch müsse man wachsam bleiben, denn
die Optiken für Konsumgüter aus Fernost würden
immer besser. »Vielleicht dringt dann eines Tages doch
mal jemand in unser technologiegetriebenes Segment
vor«, so der Optik-Chef, »aber bisher haben wir noch
einen recht großen Vorsprung.«
Wissenschaftliches Kistenpacken. Allein die Verpa-
ckung in seinem Bereich ist eine Wissenschaft für sich:
Doppelt so groß wie eine Umzugskiste ist ein Paket, mit
dem ein kleines Objektiv verschickt wird. Mit Netz und
doppeltem Boden: Aufgeklebt ist ein besonderer Sen-
sor, der erkennt, wenn die Kiste zu unsanft behandelt
wird – in dem Fall verfärbt er sich rot, und die Post geht
umgehend an den Absender zurück. »Dann müssen wir
das Objektiv hier neu einstellen«, so Hans Lauth.
So beliefert werden Kunden vor allem in Europa, aber
auch die Jenoptik-Tochter Hommelwerke GmbH:
Ihre optischen Mess-Systeme arbeiten mit JEN metar™-
Objektiven, die dreidimensionale Objekte so geomet-
riegenau abbilden, dass eine Draufsicht wie in einer
16 Optiktechnologien
technischen Zeichnung entsteht. Linsen und Blende
sind so eingerichtet, dass eine telezentrische Abbildung
entsteht, bei der das Bild nicht wie in der normalen
Fotografie verzerrt wird. Vielmehr erscheint es auch in
der Tiefe absolut maßstabsgetreu. Außerdem ist das
Bild verzeichnungsfrei: Gerade Linien des Werkstücks
erscheinen auch in der Abbildung als gerade Linien,
sie sind nicht gekrümmt wie bei Aufnahmen mit nor-
malen Objektiven. Für die Messtechnik entfällt so das
umständliche Umrechnen und Korrigieren.
Nanotechnologie für Descartes. Und hier ein Rätsel:
Weder bricht es das Licht, noch spiegelt es das Licht,
und dennoch ist es ein wichtiges Thema in der Optik-
fertigung – was kann das sein? Die Lösung liegt beim
Team von Dr. Peter Weißbrodt, das sich mit Mikrooptik
oder diffraktiven optischen Elementen beschäftigt – und
die beugen das Licht nach Art des Beugungsgitters. »Sie
kennen das sogar aus dem Alltag«, sagt Hans Lauth, »in
jedem Hologramm auf den Euro-Geldscheinen steckt
diffraktive Optik.«
Gebraucht wird die Mikrooptik auch von den Chipma-
chern – zum Beispiel beim Justieren der Wafer unter
dem Waferstepper: Damit die Halbleiterstrukturen
exakt übereinanderliegen, müssen die Wafer vor jedem
Prozessschritt an der exakt gleichen Stelle positioniert
werden, und dafür sorgt Mikrooptik nanometergenau:
Sie hilft dabei, die Projektionsoptik in der Halbleiterlitho-
grafie zu kontrollieren und zu korrigieren.
Wenig zu bieten haben diese mikrooptischen Elemente
allerdings für das bloße Auge: ein unspektakuläres Stück
17
Glas, das wirkt, als sei es in der Mitte ein bisschen mil-
chig angelaufen. Erst unter dem Elektronenmikroskop
offenbart sich ihre eigentliche Größe. Dr. Peter Weiß-
brodt: »Man kann es sich vorstellen wie winzige Schach-
brettformen, die in das Quarzglas eingearbeitet wurden.
Die einzelnen Nanofelder haben feinste Erhöhungen.«
Und die sind zu einigem fähig: Sie formen und len-
ken Laserstrahlen äußerst präzise. Werden sie in die
Beleuchtungssysteme der Wafer-Scanner integriert, lässt
sich mit ihnen zudem die Grenzauflösung des Laser-
lichts erhöhen. Bei gleicher Wellenlänge entstehen auf
diese Art kleinere Chipstrukturen. Auch in der Mikro-
materialbearbeitung, in der Medizintechnik oder in der
Messtechnik entstehen mit mikrooptischen Elementen
leistungsfähige Systeme.
Auch in eigener Sache haben sich diffraktive Elemente
als durchaus nützlich erwiesen: Mikrooptik hilft, ein
anderes optisches Element zu vermessen. Und das
ist die asphärische Linse, eine weitere Spezialität des
Hauses in der Göschwitzer Straße. An sich sind asphä-
rische Linsen wahrhaftig nichts Neues. Bereits René Des-
cartes, Vater der Lichtmikroskopie, hat sie im 17. Jahr-
hundert beschrieben. Die Idee dahinter: Bei sphärischen
Linsen, also Linsen mit kugeliger Oberfläche, entstehen
physikalisch bedingte Fehler in der Abbildung. Die zu
korrigieren, braucht man immer ein System aus mehre-
ren solcher Linsen. Asphärische Linsen dagegen korrigie-
ren solche Fehler bereits durch ihre Formgebung.
»Eigentlich kann man nur gut produzieren, was man
auch messen kann«, sagt Wolfgang Seiferth, Vertriebs-
Optiktechnologien
leiter in der Optik. Bis vor wenigen Jahren kam man nur
durch Ausprobieren zu asphärischen Linsen. Heute hel-
fen mikrooptische Elemente, so genannte CGHs (Com-
puter Generated Holograms), sie zu vermessen und zu
berechnen. Nur eine Handvoll von Unternehmen welt-
weit versteht sich auf die asphärische Optik in Präzision
– und dazu gehört die Jenoptik. Einsetzen lassen sich
solche Linsen etwa für Teleskope, in der Weltraumtech-
nologie und für militärische Anwendungen, aber auch
für Lasermaterialbearbeitung, optische Präzisionsmess-
technik und – wiederum für die Lithographie in der
Halbleiterherstellung.
Undurchsichtig für lange Wellen. Um das Bild des
Optik-Bereiches komplett zu machen, fehlt jetzt noch
die Thermographie – und mit ihr die ansehnlichsten
Ausstellungsstücke, die in den Vitrinen zu sehen sind.
Sie schillern in allen Farben und sind dafür geschaffen,
die unsichtbare Wärmestrahlung zu übertragen, zu
bündeln und abzubilden. Glas spielt hier keine Rolle:
Infrarotoptiken bestehen aus Germanium, Silizium oder
anderen Halbleitern, die die langwellige Wärmestrah-
lung transmittieren. Das kurzwellige Licht, das Glas
mühelos durchdringt, muss hingegen vor den Halblei-
tern kapitulieren und kann sie nicht oder nur zum Teil
passieren.
Die Infrarotfilter sind für die Sen sorik geschaffen, vor
allem für die Gasanalyse. Mit ihrer Hilfe lässt sich ermit-
teln, ob beispielsweise Narko segase richtig zusammen-
gemischt sind oder ob bei Klimaanlagen die Kohlendio-
xidmenge nicht überhand nimmt. Und das funktioniert
so: Die Filter werden so be schichtet, dass sie nur einen
ganz bestimmten Teil der Wärmestrahlung passieren
lassen können. Gase wiederum zeichnen sich dadurch
aus, dass sie Wärme schlucken, und zwar jeweils ganz
bestimmte Wellenlängen. Ist beispielsweise die Kohlen-
dioxidkonzen-tra tion in einem Raum zu hoch, werden
die Strahlen einer bestimmten Wellenlänge ausbleiben
und nicht auf den Filter treffen. Das wird der Sensor-
technik übermittelt und lässt Rückschlüsse auf die Gas-
konzentration zu.
Ein weiteres Feld der Infrarottechnik, das von der Jen-
optik bedient wird, ist die Thermographie – im Bereich
Optik entstehen beispielsweise die Germanium-Linsen
für die Wärmebildkameras, die im Bereich Sensortech-
nik gebaut werden. Auch, um die Wärmestrahlen inner-
halb der Kameras in die richtige Richtung zu lenken,
braucht es besondere Materialien – die Strahlführung
übernehmen Spiegel aus Messing oder Aluminium
(siehe focus 2/2005).
18 Optiktechnologien
Optik aus Erdöl. Von der Jenoptik Polymer Systems
kommt gegossene Präzision.
Kunststoffoptik ist für die Jenoptik ein neues
Thema: Das Tochterunternehmen Jenoptik Polymer
Systems aus dem thüringischen Triptis erweitert das
Konzernportfolio seit 2004 um Optiken und opto-
elektronische Systeme, die im Spritzgussverfahren
hergestellt werden.
Die Geschichte der Polymer JENOPTIK Systems
GmbH beginnt kurz nach der Wende, und seit 1991
ist die Firma stetig gewachsen. Seit Anfang 2004
gehört das Unternehmen zur Jenoptik-Gruppe.
Da Kunststoffoptiken nicht poliert werden können
– sie würden dabei zerkra tzen – kommt es hier auf
die Gussformen an, die ihrerseits hochpräzise gear-
beitet und poliert werden müssen. Genügt eine sol-
che Spritzgussform einmal den hohen Präzisions-
ansprüchen, dann lassen sich damit Optikelemente
kostengünstig in Millionenstückzahlen gießen.
Kunststoffoptik ist gerade für Massenprodukte
interessant, die besonders leicht sein müssen. Ein-
gesetzt wird sie zum Beispiel in Blutzuckermessge-
räten, um den Farbumschlag auf dem Teststreifen
zu analysieren, in der optischen Computermaus,
aber auch in Lupen, Lichtschranken und Bewe-
gungsmeldern – und die Zahl der Anwendungen
wächst beständig.
19
Bei thermografischen Komponenten kann die Jenop-
tik auf eine moderne Fertigung verweisen, »auf das
komplette Spektrum an Fertigungstechnologien«, wie
Vertriebschef Wolfgang Seiferth ausführt. »Das Know-
how, die vielfältigen Materialien und Möglichkeiten der
Beschichtung – das macht nicht jeder.« Da war er wie-
der – der Hinweis auf die Exklusivität, auf die Jenoptik
als besondere Adresse für optische Höchstleistung.
Optiktechnologien
Jenoptik agiert auf dem
wachsenden Markt für
Sensorsysteme.
Infrarotkameras, Mikros-
kopie, Profi fotografie oder
Wolkenhöhenmesser:
Die Sparte Sensorik ist auf
eine Vielfalt von Nischen-
märkten eingestellt.
Sensorik
geN.
21
Erfassen und Nutzen von Licht: Das Wissen um Licht als Werkzeug
bündelt Jenoptik in komplexen Systemen und technologischen Anlagen.
Sie alle nutzen Licht zum Bearbeiten, Messen, Steuern oder Überwachen
besonders dort, wo Licht herkömmliche Prozesse ersetzen kann.
»Eigentlich«, sagt Dr. Frank Reichel, »vermarkten wir hauptsächlich Kompetenz.« Er leitet den Geschäftsbe-reich Sensorsysteme der JENOPTIK Laser, Optik, Systeme GmbH. Mit elektronischem, optischem, mechanischem und mathematischem Fachwissen ebenso wie mit selbst erstellter Software lassen die Spezialisten seines Bereiches Produkte entstehen, die niemals an einer Supermarktkasse zu finden sein werden. Sie verknüp-fen Teile, die zumeist zugeliefert werden, und hauchen ihnen die Kompetenz ein, die sie für zahlreiche Nischen-märkte interessant macht.
Am Anfang war der U-Betrieb. Das war in der DDR
jener Teil des Zeiss-Kombinates, der größter Geheimhal-
tung unterlag. Wehrtechnik war es in erster Linie, was
hier entstand: Ziele erkennen und anvisieren, sowohl im
Tageslicht als auch in der Nacht, und mit Lasern Entfer-
nungen messen.
In der Jenoptik Laser, Optik, Systeme ist daraus der
Geschäftsbereich Sensorsysteme geworden – und der
entwickelt und baut nach wie vor Laserdistanzmess-
geräte und Sensorsysteme für den infraroten und den
sichtbaren Bereich. Dabei ist die Konversion gelungen:
Aus dem einstigen Militärbetrieb wurden die drei Pro-
fitcenter Infrarottechnik, Imaging Systems und Laser-
sensorik, die sich Marktzugänge für zivile kommerzielle
Anwendungen erschlossen haben. »Das haben außer
uns nicht viele geschafft«, so Frank Reichel.
Inzwischen sind angesichts der veränderten weltpoli-
tischen Lage jedoch auch militärische Anwendungen
wieder auf dem Vormarsch. »Und das muss ja auch so
sein«, sagt Hans Szymanski, Geschäftsführer der
JENOPTIK Laser, Optik, Systeme GmbH, »wenn wir zum
Beispiel Soldaten zu internationalen Einsätzen schicken,
müssen wir schließlich auch für ihre Sicherheit sorgen.«
Interessanter ist jedoch nach wie vor der zivile Markt,
der hier Gegenstand der Betrachtung sein soll.
Feinfühlige Sensoriktechnik
Ein Sensor (lateinisch sensus: »Gefühl«) oder
(Mess-) Fühler ist ein Bauteil, das physikalische,
chemische oder stoffliche Eigenschaften seiner
Umgebung erfassen kann – entweder qualitativ
oder quantitativ als Messgröße. Die Werte oder
Zustände werden, meist elektrisch-elektronisch
verstärkt, in der zugehörigen Steuerung verarbeitet,
die weitere Schritte auslöst. Sensoren, die dazu
dienen, elektromagnetische Strahlung (dazu zählen
die unterschiedlichen Lichtspektren) nachzuweisen,
werden Detektoren genannt.
Quelle: www.wikipedia.de
22 Sensorik
Thermografie.Falsche Farben gestochen scharf. Die VarioCAM®,
eine Thermografiekamera, die so robust wirkt, als sei sie
aus einem Stück Stahl gegossen, ist eines der Hightech-
Produkte des Bereiches Infarottechnik. Wer in ihre Linse
hineinschaut, sieht nur sich selbst – die Objektive beste-
hen aus undurchsichtigem, violett glänzendem Germa-
nium. Denn für kommerzielle Kameras, die im infraro-
ten Spektralbereich arbeiten, kommen nur Optiken aus
Halbleitermaterial in Frage: Sie lassen die langwelligen,
für das Auge unsichtbaren Wärmestrahlen passieren.
Glas hingegen wirkt wärmeisolierend und wäre völlig
ungeeignet.
Die Kamera lässt den Menschen in einem ganz neuen
Licht erscheinen: Der Hals ist rot und die Nasen spitze
grün, die Kleidung isoliert, und erscheint damit blau.
Temperaturangaben blinken auf, die auf zwei Kelvin
genau sind. Für die VarioCAM® nimmt Heiko Richter,
im Bereich Infarottechnik für den Vertrieb zuständig, in
Anspruch, dass sie besonders brillante und gestochen
scharfe Falschfarbenbilder liefert – und das in Echtzeit:
Bewegungen lassen sich wie bei Video filmen verfol-
gen. Wichtig ist das vor allem dort, wo veränderliche
Temperaturverteilungen oder bewegte Objekte auf ihre
Temperatur untersucht werden sollen.
Eingesetzt wird die VarioCAM® als industrielles Mess-
gerät. Sie wirkt beispielsweise in der vorbeugenden
Instandhaltung und erkennt, wenn Lager heißlaufen
oder sich Motoren überhitzen. In der Leiterplatten-
inspektion entlarvt sie schlecht montierte Anschlüsse.
Gefragt ist die Kamera zudem in der Bauthermografie,
um Gebäude auf Energielecks zu
untersuchen.
»Das verkauft sich allerdings eher in
Europa«, so Heiko Richter, »in Norda-
merika ist Bauthermografie wegen
der Energiepolitik nach wie vor weni-
ger ein Thema.«
Speziell nach Kundenanforderung baut das Profitcenter
außerdem noch Infrarotkameramodule: Hier geht es
nicht um einzelne Thermografieaufnahmen, vielmehr
überwachen sie beispielsweise in der Leiterplattenpro-
duktion permanent, ob das Wärmeverhalten stimmt;
anderenfalls lösen sie Alarm aus.
Eine weitere Produktfamilie ist die VarioTHERM® – und
sie wird eingesetzt, wo es ganz heiß zugeht: Wo Glas
oder Stahl oder Kunststoffe verarbeitet werden, steigen
die Temperaturen meist auf um die 1000 Grad Celsius.
Während die VarioCAM® für die längeren Wellenlän-
gen des kühleren Infrarotspektrums zuständig ist, misst
die VarioTHERM® die Temperaturen besonders heißer
industrieller Prozesse, also die kürzeren Infrarotwellen.
Das Herzstück einer jeden digitalen Kamera – sei sie
nun für den infraroten oder den sichtbaren Lichtbereich
gedacht – ist der Bildaufnahmesensor. Er fängt die elek-
tromagnetischen Wellen ein und entscheidet darüber,
wie hoch ein Bild aufgelöst ist. Die maximale Auflösung
bei der VarioCAM® liegt in einem speziellen Modus bei
640 mal 480 Pixel – das entspricht dem Vierfachen der
sonst am Markt verfügbaren Auflösung solcher Kameras.
23Sensorik
Mikroskopie.Farbechtes Alleinstellungs-
merkmal. Das Geheimnis
dahinter heißt Microscanning,
und dass es in Thermokameras
eingebaut werden kann, ist
einer Synergie innerhalb des
Geschäftsbereiches Sensorsys-
teme zu verdanken: In dessen
zweitem Profitcenter »Imaging Systems« arbeiten die
Spezialisten dafür. Hier geht es um den Spektralbereich
des sichtbaren Lichts, und der Raum ist vollgestellt mit
Mikroskopen und unterschiedlichen Kameravarianten.
Auch Servicemitarbeiter Stefan Seidlein hat hier seinen
Arbeitsplatz. Er kennt sich mit dem Micro scanning aus:
»Der Sensor«, sagt er, »sieht eigentlich nur schwarz-
weiß.« Deshalb wird vor jedes einzelne Pixel ein Farbfil-
ter gesetzt. Diese Filterpunkte sind als Muster angeord-
net: Wenn es um die Fotografie im sichtbaren Bereich
geht, liegen vor jeweils zwei mal zwei Pixeln ein roter,
zwei grüne und ein blauer Filter. Aus diesen drei Farben
lassen sich sämtliche Nuancen zusammensetzen. Die
Farbe jener Punkte, vor denen nicht der richtige Filter
liegt, wird bei herkömmlichen Verfahren hochgerech-
net, sie wird also in mathematischen Verfahren »erra-
ten«.
Nicht so beim Microscanning: »Wenn ein Scanner den
Sensor verschiebt und die Kamera mehrfach auslöst,
werden alle potenziellen Farbpunkte erfasst.« So entste-
hen absolut farbechte Darstellungen. Mit noch kleineren
Abtastschritten werden die Farben sogar auf einen
halben oder einen drittel Pixel genau, und damit wird
tatsächlich die Auflösung erhöht. Allerdings funktioniert
das nur bei regungslosen Motiven, mit Stativ – oder
aber auf dem Mikroskop. Und genau hier liegen die
Ursprünge der Technologie.
Entwickelt wurde das Microscanning 1989 bei der Kon-
tron AG in Eching bei München. Das Unternehmen ging
1997 in der JENOPTIK Laser, Optik, Systeme GmbH auf.
2003 wechselte die Mehrzahl der Mitarbeiter nach Jena,
und in ihren Umzugskisten steckten auch die Technolo-
gien. Dazu gehören die ProgRes®-Mikroskopsysteme,
bei denen der Ursprung des Microscannings liegt.
Das Microscanning sorgt für absolut farbgetreue und
hoch genaue Mikroskopie-Bilder. Die Auflösung der
ProgRes®-Systeme reicht von 1,3 bis zu 12,5 Megapi-
xeln. »Dabei setzen wir zurzeit voll auf CCD-Sensoren,
weil die eine hohe Bildqualität liefern«, so Simon Schwin-
ger, der im Vertrieb arbeitet. Gefragt ist die hohe Bild-
qualität dort, wo man es sehr genau nimmt, beispiels-
weise in Labors, etwa in der pathologischen Arbeit oder
in der Materialanalyse. Und über eine Firewire-Schnitt-
stelle lassen sich die Bilddaten direkt in den PC übertra-
gen. Die Konkurrenz ist groß – allerdings sind die absolu-
te Farbechtheit und die besonders ausgereifte Software
auf dem Markt ein Alleinstellungsmerkmal. »Wir können
es einfach gut. Deshalb sehe ich im Verkauf noch viele
Entwicklungsmöglichkeiten«, sagt Simon Schwinger.
In Kameras werden CCD-Detektoren (Charge-
coupled Device) eingesetzt. Ein CCD, zu deutsch
»ladungsgekoppeltes Bauteil«, ist ein lichtemp-
findliches elektronisches Element, das die Licht-
stärke fein gerastert messen kann. CCDs sind aus
lichtempfindlichen Halbleiterzellen aufgebaut,
die in einer Matrix oder manchmal in einer Zeile
angeordnet sind. Sie werden Pixel (picture ele-
ments) genannt. Aus jeder Zelle wird eine Ladung
(charge) ausgekoppelt (coupled), die proportional
zur Lichtmenge ist. Sie wird gespeichert, um weiter
verarbeitet werden zu können. Während des Spei-
chervorgangs, der in Sekundenbruchteilen abläuft,
dunkelt ein Verschluss das CCD ab, damit die Bild-
informationen nicht durch Lichteinfall auf die Pixel
verfälscht werden. Quelle: www.wikipedia.de
24 Sensorik
Fotografie. Hoch aufgelöste Models. Die Tropfen der Wimpern-
tusche, kleinste Hautunebenheiten oder Äderchen in
den Augen etwa werden sichtbar, wenn das digitale
Kamerarückteil aus dem Hause Jenoptik zum Einsatz
kommt. Das Modul, das in etwa Aufgaben übernimmt,
die in der analogen Fotografi e dem Film zukamen, hat
eine maximale Aufl ösung von 33 Millionen Pixeln. Das
führt unter Umständen zu Klagen der Models, die Foto-
grafen hingegen freut es. Das Rückteil, in der Fachspra-
che Back genannt, wird an eine Kamera angedockt, die
die optomechanischen Teile enthält, darunter auch den
Auslöser.
So mancher Profi fotograf sieht nicht auf den ersten
Blick, dass das Herz seiner Kameraausrüstung Jenoptik-
Technologie ist. Denn Jenoptik selbst vertreibt das
Rückteil nicht unter eigenem Namen, sondern produziert
unter anderem für die schweizerische Firma Sinar, die
seit September 2006 mehrheitlich zur Leica Camera
AG gehört. Zwischen Sinar und Jenoptik hingegen
besteht bereits seit Ende der neunziger Jahre eine enge
Partnerschaft. Gemeinsam wurde das digitale Rückteil
in einer Rekordzeit von nur einem Jahr entwickelt
und seit der ersten Vorstellung 2004 permanent
verbessert. Das Besondere: Das Rückteil passt sich mit
standardisierter Schnittstelle einer ganzen Reihe von
Mittelformatkameras an, etwa solchen für Mode oder
Architektur, und ist auch außerhalb des Fotostudios
einsetzbar. Speziell für die Studiofotografi e hingegen
steht ein Digitalback mit 33 Millionen Pixeln zur
Verfügung. Auch dieses kann mit wenigen Handgriffen
an verschiedene Fach- und Mittelformatkameras
adaptiert werden.
Wie bereits 2004 das digitale Kamerarückteil wurde
nun 2006 auch die jüngste Jenoptik-Entwicklung, die
Mittelformatkamera Hy6, mit dem Photokina-Star ausge-
zeichnet – als „besonderes Highlight“ der weltweit wich-
tigsten Fotomesse, die alle zwei Jahre in Köln stattfi ndet.
Die neue Mittelformatkamera ist mit bewusst fl exiblen
Adaptionsmöglichkeiten für Komponenten anderer Her-
steller offen. Ausgestattet mit einem drehbaren Funkti-
onsgriff kann der Kamerabody aus jeder Position optimal
bedient werden. Ein völlig neuartiger Spiegelantrieb
sorgt für weniger Betriebsgeräusche. Wurde der Spiegel
bisher federgetrieben nach oben geklappt und mecha-
nisch wieder nach unten gezogen, wird er nun elektrisch
auf- und eingeklappt. Zusätzliche Innovationen sind eine
vom Suchsystem unabhängige Belichtungsmessung und
ein RGB-Sensor für optimalen Weißabgleich. Zur Kamera
entwickelt wurde die entsprechende Software, die im
Zweifelsfall sogar ein schwaches Bild noch retten kann.
Sie sei es letztlich, die aus den vielen Pixeln Bilder macht
und über deren Güte entscheidet, so Stefan Seidlein von
der JENOPTIK Laser, Optik, Systeme GmbH. Und was
gibt es Besseres für die Güte eines Produktes, als einen
großen Interessenten- und Kundenkreis. Noch auf der
Messe im September 2006 haben Jenoptik und Leaf,
ein Unternehmen der Kodak Graphic Communications
Group, bekannt gegeben, künftig im Bereich der Mittel-
formatkameras langfristig zusammenzuarbeiten.
25Sensorik
Verkehrsüberwachung.Unbestechliche Ordnungshüter. Ein anderes Unter-
nehmen bezieht ebenfalls Kameras aus dem Profit-
center Imaging Systems – allerdings sind deren Bilder
weder für Models noch für sonst irgendjemanden
schmeichelhaft. Um so wichtiger sind sie für die Sicher-
heit auf unseren Straßen: Die Jenoptik-Tochter ROBOT
Visual Systems GmbH, deren Standort Monheim am
Rhein ist, baut digitale Kameras in ihre Verkehrsüberwa-
chungssysteme ein.
Und der Geschäftsbereich Sensorsysteme der JENOPTIK
Laser, Optik, Systeme GmbH stellt neben der Kamera
noch ein weiteres Teilsystem für den Einsatz im Verkehr
her: Aus dem dritten Profitcenter namens Lasersensorik
stammt die Technologie, mit der die Fahrzeuggeschwin-
digkeit unbestechlich und per Laserlicht gemessen
wird: Automatisch laufen mehrere Distanzmessungen
zu einem Punkt am Fahrzeug ab, und daraus lässt sich
errechnen, wie schnell es unterwegs ist.
Lasersensorik.Messen mit gebündeltem Licht. »Das Prinzip, das
dahinter steckt«, so Vertriebsleiter Dr. Werner Reiland,
»ist eigentlich recht einfach.« Mit einer Optik wird ein
Laserstrahl auf ein Objekt gerichtet, welches das Licht
wieder reflektiert. Eingefangen wird dieses reflektierte
Licht von einer Art Objektiv und wird dann von einem
lichtempfindlichen Sensor gemessen, der auf die Laser-
Wellenlänge eingestellt ist. Meist sind die Lichtmengen,
die ausgewertet werden müssen, sehr gering – deshalb
werden gern Avalanche-Foto-Dioden verwendet: Sie
verstärken das gesammelte Licht und reagieren zudem
sehr schnell. Wenn nun bei einem bewegten Objekt
in schneller Folge mehrmals gemessen wird, wie weit
es entfernt ist, lässt sich dadurch die Geschwindigkeit
ableiten.
Die Jenoptiker beherrschen dieses Prinzip in all seinen
Facetten. Dabei kommt ihnen zupass, dass die Halblei-
termärkte starkem Preisdruck ausgesetzt sind: Die Kos-
ten für die Halbleiter-Photodioden, die das Herzstück
der Sensorik-Anordnung bilden, sind über die Jahre in
den Keller gefallen. Damit erschließen sich die Jenoptik-
Spezialisten zunehmend neue Märkte, darunter auch
solche für Massenanwendungen.
26 Sensorik
27
Hillos: Mehr Zeit fürs Bauen. Güns-
tige Zulieferteile und die Expertise des
Profitcenters Lasersensorik sind es nicht
zuletzt, was der Hillos GmbH zum Start
verhalf. Gegründet wurde das Unter-
nehmen 2003 als gemeinsame Tochter
der JENOPTIK Laser, Optik, Systeme
GmbH und der Hilti Aktiengesellschaft
aus Liechtenstein. Die vier Produktarten, die exklusiv
für Hilti in großen Stückzahlen gefertigt werden, waren
zuvor über mehrere Jahre hinweg bei der JENOPTIK Laser,
Optik, Systeme GmbH entwickelt worden.
»Man hat bei Hilti mal ausgerechnet«, so Winfried Klim-
mer, Geschäftsführer der Hillos GmbH, »dass auf dem
Bau bis zu 20 Prozent der Arbeitszeit nicht gebaut, son-
dern ausgemessen und ausgerichtet wird.« Die Produkte
der Hillos sind angetreten, an dieser Zeit zu sparen. Sie
alle dienen den Profis am Bau dazu, auszumessen, zu
nivellieren oder auszurichten.
Besonders beliebt ist das »Laser-Bandmaß«: Mit einem
roten Lichtstrahl misst es Entfernungen von bis zu 100
Metern auf den Millimeter genau, außerdem errechnet
es Flächen und Rauminhalte per Knopfdruck. Ein anderes
Produkt sind Rotationslaser, die einer Rundumleuchte ähn-
lich sind – sie schaffen 360 Grad umlaufend eine präzise
waagerechte, vertikale oder definiert geneigte Referenz-
linie aus Laserlicht. Zudem gehören ein Punkt- und ein
Linienlaser zum Portfolio: Ersterer projiziert jeweils zwei
Punkte, die sich zu senkrechten und waagerechten Linien
verbinden lassen, Letzterer wirft ein Koordinatenkreuz aus
roten Laserlinien an die Wand. Sie ersetzen Wasserwaa-
ge, Lot und Schlagschnur. Um das zu erreichen, richten
sich die Geräte mit der Schwerkraft der Erde aus.
Optronik: Kompetenz eingegliedert. Gravitations-
sensoren werden auch in der Raumfahrt gebraucht
– und das ist das Thema der Jena-Optronik. Früher war
deren gesamte Fertigung ebenfalls im Bereich Sensor-
technik bei der JENOPTIK Laser, Optik, Systeme GmbH
angesiedelt. Inzwischen hat sich das geändert: Die Opt-
ronik hat jene Mitarbeiter, die sich mit Raumfahrtsen-
sorik befassen, in ihr Unternehmen eingegliedert (siehe
»Bilddateien vom Mars«).
LIDAR: Licht nach Maß für Schnee und Wüste.
Dafür wirft im Profitcenter Lasersensorik ein neues
Betätigungsfeld seine Schatten voraus, beziehungswei-
se: sein Licht zurück: Es geht um intelligente Rücklichter
am Auto – und damit ebenfalls wieder um potenzielle
Massenfertigung. Die neuartigen Heckleuchten sind
in der Lage, sich den Sichtverhältnissen anzupassen;
sie strahlen bei Nebel oder Regen heller als an einem
schönen Sommertag. Dazu wird ein LIDAR (LIght
Detection And Ranging)-Sensorsystem eingebaut, des-
sen Akronym an das von RADAR angelehnt ist – statt
Radio- sind es hier Lichtwellen, mit denen gemessen
wird. Entwickelt hat das Profitcenter das System für
einen namhaften Automobilzulieferer. »Die Härtetests
hat es schon geschafft, sowohl bei Eis und Schnee als
auch in der hellen Wüstensonne hat es so funktioniert,
wie wir uns das vorgestellt hatten«, so Forschungs- und
Entwicklungsleiter Jörg Apitz.
Sensorik
Mit unsichtbarem infraroten Licht werden Gischt, Nebel
oder Niederschläge hinter dem Fahrzeug detektiert,
die das Licht auf den Sensor zurückstreuen. Zugleich
kann auch der Abstand zu dahinter fahrenden Fahrzeu-
gen gemessen werden. Ein anderer optischer Sensor
des Systems, dessen Serienfertigung vorbereitet wird,
misst Scheibenverschmutzung und Stärke der Sonnen-
einstrahlung. Für die Zukunft sind weitere automobile
Anwendungen denkbar: LIDAR-Sensorsysteme können
den Abstand zu anderen Fahrzeugen messen, Personen
oder Hindernisse auch im Dunkeln erkennen und vor
Kollisionen warnen.
Über die automobilen Anwendungen hinaus ist LIDAR
im Begriff, eine ganze Bandbreite von Märkten zu er-
obern. So lässt sich das Prinzip dazu einsetzen, die
Atmosphäre auf feste und flüssige Partikel, die Aerosole,
zu untersuchen – maßgebend auch hier, wie das Licht
von den Teilchen zurückgestreut wird.
Gasanalyse, Kranpositionen, Wolkenhöhen: Viel-
seitige Lasersensoren. Auch Gase lassen sich mit
Lasersensorik dingfest machen, wobei man sich zunut-
ze macht, dass sie Wärme schlucken. Wenn man also
weiß, dass beispielsweise Kohlendioxid eine bestimmte
Wellenlänge von infraroten Strahlen aufnimmt, kann
man das Gas per Infrarottechnik detektieren. Dazu
werden Filter eingesetzt, die diese exakte Wellenlänge
passieren lassen. Wäre nun die Kohlendioxidkonzentra-
tion hoch, kämen beim Sensor weniger Wärmestrahlen
an, die genau diese Wellenlänge haben. Das lässt Rück-
schlüsse auf die Gaskonzentration zu, beispielsweise
in Klimaanlagen. Auch die Zusammensetzung von
Narkosegasen wird so analysiert. Ebenso lassen sich
die Gasanteile von Ozon, Methan oder Kohlendioxid in
der Atmosphäre messen. Bewährt ist das Messen mit
Licht zudem im indust riellen Einsatz, etwa, um Kräne
und Fahrkörbe in Aufzügen richtig zu positionieren
oder Schiffe ins Trockendock zu navigieren. Die Telekom
nutzt tragbare Entfernungsmesser mit LIDAR-Technolo-
gie, der Wetterdienst misst damit die Wolkenhöhe.
Wolkenhöhenmessgeräte des Bereiches Sensorsysteme
sollen in Zukunft auch für Sicherheit auf Hubschrauber-
landeplätzen sorgen. »Wenn zum Beispiel Piloten von
Rettungshubschraubern nichts sehen, dann dürfen sie
auch nicht landen, und es geht unter Umständen
wertvolle Zeit verloren, um ein anderes Krankenhaus
anzufliegen«, so Jörg Apitz. Für Hubschrauberlande-
plätze genügt eine Messweite von 300 bis 800 Metern,
während für die Wolkenmesser auf Flugplätzen
10 Kilometer vorgeschrieben sind. »Es gibt noch keine
gesetzliche Regelung«, so Jörg Apitz, »die den Einsatz
zwingend vorschreibt. Aber das wird möglicherweise
noch kommen, und dann hätten wir eine gute Startpo-
sition.«
28 Sensorik
Bilddateien vom Mars. Die Jena-Optronik GmbH will hoch hinaus – ganz wört-
lich gesprochen, denn das Unternehmen hat sich in den
vergangenen Jahren ganz auf die Luft- und Raumfahrt
eingestellt. Damit da auch gar keine Zweifel mehr daran
aufkommen, hat das Unternehmen sein Profil geschärft:
Andere Projekte, die als Spin-off aus der Luft- und
Raumfahrt entstanden, wurden anderen Bereichen der
Photonics-Gruppe zugeordnet, beispielsweise die bio-
technologischen Anwendungen.
Technologisch kann die Jena-Optronik dabei auf eine
Kontinuität verweisen, die verhältnismäßig weit zurück-
reicht. Direkt nachvollziehen kann man das anhand der
Entwicklungslinie der Multispektralkamera MKF6, die
in der DDR das bekannteste und wohl erfolgreichste
Weltraumprodukt war. Seine Schöpfer haben das Gerät
vor 30 Jahren beim VEB Carl Zeiss Jena entwickelt und
arbeiten heute zum Teil bei der Jena-Optronik in Nach-
folgeprojekten.
An jedem Tag Bilder von jedem Punkt der Erde.
Eines der jüngsten Abkömmlinge der MKF6-Familie ist
der Jena Spaceborne Scanner (JSS), der das Herzstück
eines kommerziellen Satellitensystems bildet. Auf Basis
des JSS 56 will das deutsche Unternehmen Rapid-Eye
AG einen Geo-Informationsservice aufbauen. Während
29
die MKF 6 noch mit Linsenoptiken und Nassfilmtechnik
arbeitete, verfügt der JSS über hochmoderne Dreispie-
geloptik und ein digitales Aufnahmegerät, bei dem
lichtempfindliche Fotoelemente, so genannte Charge
Coupled Devices (CCD), in einer Zeile angeordnet sind.
In einer definierten Zeit nehmen sie eine bestimmte
Menge an Licht auf, die von dem Beobachtungsobjekt
reflektiert wird. Zeile für Zeile wird die Erdoberfläche
so abgescannt, ähnlich, als würde man gründlich mit
einem Besen kehren – daher heißt die Methode im
Englischen auch Pushbroom-Prinzip.
Damit multispektrale Bilder entstehen, wird jeder
Scanner mit mehreren Detektoren ausgestattet, die
jeweils die Strahlung in spezifischen Farben messen.
Die Rapid-Eye-Konstellation, die aus fünf Satelliten
bestehen soll, wird jeden Punkt der Erde an jedem Tag
darstellen
können. Die Kamera arbeitet im sichtbaren Wellen-
längenbereich und im nahen Infrarot; die Daten eig-
nen sich für Landwirtschaft und Umweltmonitoring.
Anwender sind zum Beispiel Versicherungsunterneh-
men, die Schäden in der Landwirtschaft prognostizieren
oder ermitteln wollen, daneben Institutionen wie die
EU, aber auch Agrarhändler, die an Warenterminbörsen
handeln, oder landwirtschaftliche Großbetriebe, die
Präzisionsanbau betreiben.
Sensorik
Damit die Gesamtkosten der Mission im Rahmen blei-
ben, soll sie mit nur zwei Startraketen auskommen
– und hier lag eine technologische Herausforderung für
die Entwickler der Jena-Optronik: »Das Design musste
so kompakt sein, dass das System auf eine Kleinsatel-
litenplattform passt«, so Dietmar Ratzsch, Geschäfts-
führer des Unternehmens. Inzwischen sind innovative
Lösungen gefunden, die die Frontoptik, die Fokalebene
und die Datenverarbeitung an Bord konkurrenzlos klein
halten.
Und auf Basis des JSS 56 entsteht ein ganzes Portfolio
weiterer Kameras. Dazu zählt der JSS 76, der zusätzlich
im kurzwelligen Infrarotbereich arbeitet. Mit METimage
arbeiten die Entwickler außerdem an einem meteo-
rologischen Instrument, unterstützt vom Deutschen
Zentrum für Luft- und Raumfahrt und vom Deutschen
Wetterdienst – als nationaler Beitrag zu europäischen
Meteorologie- und Umweltsatelliten.
Hochwasserprognosen aus der Luft. Auch ein wei-
terer Urahn hat Enkel bekommen: die MSK 4, eine Flug-
zeug gestützte Version der Multispektralkamera mit vier
Spektralkanälen, die zu DDR-Zeiten bei Carl Zeiss Jena
mehr als 40 Mal gebaut und international vermarktet
wurde. Der Nachwuchs aus dem Hause Jena-Optronik
hört auf den Namen Jena Airborne Scanner (JAS) 150,
die Zahl steht hier für die Brennweite. Derzeit wird an
einem Prototyp gearbeitet, mit dem multispektrale,
dreidimensionale Modelle eines Terrains darstellbar
werden sollen. Dabei ist die Datenauswertungssoftware
von großer Bedeutung – sie trägt den Namen JenaSte-
reo und kommt ebenfalls von der Jena-Optronik. Inte-
ressant sind die Daten beispielsweise für Stadtplanung,
Erntekontrolle und Hochwasserprognosen.
Mit meist ziemlich spektakulären
Projekten hat sich die Jena-Optronik
unter den Raumfahrtunternehmen als
feste Größe etabliert.
30 Sensorik
Zum Weiterlesen:
http://www.gfz-potsdam.de/pb1/op/champ
CHAMP: Polarlichter
bald in unseren Brei-
ten. Und wenn es um die
Erdbeobachtung geht,
gab es auch gerade etwas
zu feiern: Im Juli 2006
waren es sechs Jahre, dass
der Kleinsatellit CHAMP
(CHAllenging Minisatellite Payload) die Erde umrundet
und dabei ihr Magnet- und Gravitationsfeld vermisst. In
dieser Zeit hat er fast 1,5 Milliarden Kilometer zurück-
gelegt und 34.124 Mal die Erde umkreist. Die CHAMP-
Bordinstrumente erstellen alle drei Tage einen Magnet-
atlas der gesamten Erdoberfläche. Ausgewertet werden
die Daten beim Geoforschungszentrum Potsdam (GFZ).
Inzwischen gilt es als gesichert, dass das Magnetfeld
pro Jahrhundert um 6,6 Prozent abnimmt, sich der
magnetische Nordpol südwärts verschiebt und die
Erde im Begriff ist, sich umzupolen. Im Jahr 2050 kön-
nen Polarlichter selbst in unseren Breitengraden zum
Erscheinungsbild gehören, so die Experten der Jenoptik-
Tochter.
CHAMP war ursprünglich als Leitprojekt gestartet, um
die Raumfahrtindustrie in den neuen Bundesländern zu
stärken; daran beteiligt ist neben dem GFZ auch das
Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Die
Jena-Optronik hat 1997 den Zuschlag erhalten, den
Satelliten als Hauptauftragnehmer des GFZ zu entwi-
ckeln, zu fertigen und zu testen.
»Wir haben sehr von dem Projekt profitiert, weil wir
dadurch gelernt haben, worauf es bei Satellitensyste-
men ankommt«, so Dietmar Ratzsch.
Auch für die extraterrestrische Forschung entwickelt
die Jena-Optronik Instrumente, beispielsweise Spezial-
kameras und Detektoren, die Gamma-Reststrahlung im
Weltall ins Visier nehmen, um dem Lebenszyklus des
Universums auf die Spur zu kommen.
Mars Express: Dreidimensionale Bilder vom roten
Planeten. Besonders spektakulär: Die jüngsten Bilder
vom Mars sind mit einer HRSC-Kamera (High-Resolution
Stereoscopic Camera) aufgenommen worden, deren
optisches System, Prüftechnik und Kalibrationstech-
nik von der Jena- Optronik stammt. Der Mars Express
»Orbiter« umkreist seit dem 25. Dezember 2003 den
Mars – mitsamt der hochauflösenden Stereo-Farbbild-
Kamera, die nur 20 Kilogramm schwer ist und unter
deutscher Leitung für die Mars-96-Mission entwickelt
wurde. Dreidimensional, in sehr hoher Auflösung, bildet
sie die Planetenoberfläche ab und kartiert sie.
31Sensorik
Kometenlandung: Kritisches Zeitmoment. Und
auch bei einem weiteren Vorhaben einer Kometenlan-
dung ist die Jena-Optronik mit an Bord: Für die Roset-
ta-Mission der ESA, die für das Jahr 2010 angepeilt ist,
entwickelt das Unternehmen ein optisches System für
die Kamera. Dabei liegt das kritische Moment in der
Landung: »Stellen Sie sich vor, sie verabreden sich zu
einem sehr exakten Zeitpunkt am Hermsdorfer Kreuz,
einer fährt in Berlin los, der andere in Frankfurt. Sich bei
voller Fahrt zu treffen, das ist eine echte Herausforde-
rung. Genau darauf kommt es bei der Kometenlandung
an«, veranschaulicht Geschäftsführer Dietmar Ratzsch.
Lageregelung: Sonne und Sterne sind Referenz.
Eine führende Stellung hat das Unternehmen bei Lage-
regelungssystemen: Sie sorgen dafür, dass Satelliten
nicht im All umherirren, sondern sich an der Sonne oder
an den Sternen ausrichten. Seit wieder mehr Kommuni-
kationssatelliten in Erdumlaufbahnen ge schickt werden,
konnten die Jenaer Kunden aus Deutschland, Europa,
Asien, aber auch aus den USA hinzugewinnen. So wird
die Jena-Optronik voraussichtlich einen Teil des Galileo-
Projektes mit Lagesensoren ausstatten, das künftige
europäische Pendant zum amerikanischen GPS-System.
Raumstation ISS: Gefühlvolles Annähern. Für die
Besatzung der internationalen Raumstation ISS ist die
Arbeit der Jena-Optronik von geradezu vitaler Bedeu-
tung: Um die Astronauten versorgen zu können, müs-
sen die unbemannten Versorgungsschiffe an die Raum-
station ankoppeln können. Und damit das reibungslos
läuft, haben die Forscher von der Jena-Optronik GmbH
Rendezvous- und Docking-Sensoren erdacht und
gebaut. Dabei lenkt ein Spiegelsystem einen Laserstrahl
auf das Ziel, also auf die ISS. Die Raumstation reflektiert
den Strahl, und dieses Licht wird vom Sensorsystem
wieder eingefangen. In der Elektronikbox wird dann
berechnet, wie weit entfernt und in welchem Win-
kel die beiden Weltraumgefährte voneinander liegen
– damit das Versorgungsschiff schließlich zielgenau und
sicher andocken kann. Ab 1.000 Metern Entfernung
von der Station beginnt das System zu arbeiten. Dabei
ist der Sensor unbestechlich: Er reagiert nur auf die
Wellenlänge des Laserlichtes, nicht auf das Licht der
Sonne.
Dass es funktioniert, hat das System bereits auf zwei
Flügen zur russischen Raumstation MIR bewiesen.
Von dort ist es per Shuttle auch beide Male wieder
Am Deutschen Zentrum für Luft- und
Raumfahrt (DLR) entwickelt und in
Kooperation mit Industriepartnern
gebaut: Die HRSC-Kamera liefert spek-
takuläre Bilder vom Mars.
32 Sensorik
zurückgekehrt. Heute wird das Docking-Sensor-System
beispielsweise auf den Versorgungsflügen der euro-
päischen Raumfahrtagentur ESA verwendet, erstmalig
mit der Ariane 5 im Jahr 2006. So gelangen Treibstoff
und Lebensmittel zur Besatzung der Raumstation. Nach
einem halben Jahr hat für die Versorgungskapsel die
Stunde des Rückzugs geschlagen, wobei es ihr Schicksal
ist, mitsamt dem Müll von der Station in der Erdat-
mosphäre zu verglühen.
Zukunftsmarkt Satellitendaten. »Leider«, so
Dietmar Ratzsch, »halten die Deutschen ihr Budget
klein, ob wohl die Raumfahrt als Schlüsseltechnolo-
gie gesehen werden muss. Da muss man natürlich
besonders kreativ sein.« Entsprechend nutzt das Unter-
nehmen inzwischen verstärkt sein Know-how beim
Auswerten von Satellitendaten – ein Zukunftsmarkt
(siehe Epidemio-Projekt, focus 1/2005). »Wenn man
beispielsweise daran denkt, dass Russland kein moder-
nes Katasteramt hat, dass Bodenschätze und Umwelt-
veränderungen von Satelliten aus zu orten sind, dann
sind das interessante Entwicklungsmöglichkeiten«, so
der Geschäftsführer.
Links:
Homepage der euro päischen
Raumfahrtagentur ESA: www.esa.int
Informationen und Bilder zum Marsexpress:
http://www.esa.int/SPECIALS/Mars_Express/
Jungfernflug im Frühjahr 2006:
Ausgestattet mit Sensoren der
Jena-Optronik kann sich der Raum-
transporter der ISS zielgenau nähern
und sicher andocken.
33Sensorik
Vielfältige mechatronische
Technologien runden das
Profi l der Jenoptik ab. Bei
der ESW GmbH entstehen
die unterschiedlichsten
Systeme für fast alles, was
sich bewegt – zu Land, zu
Luft und zur See.
Mechatronik
I N R A U - O L I V.
35
Als im Frühjahr 2005 der neue Gigant der Lüfte, der
Airbus A380, in Toulouse zu einem ersten Testfl ug
abhob, knallten auch in Wedel bei Hamburg die
Sektkorken. Denn mit an Bord waren Enteisungs- und
Liftsysteme, die bei der ESW entwickelt wurden und
nun gebaut werden.
Liftkonzepte für Airbus-Flugzeuge sind für die ESW
vertrautes Terrain: Ein großes deutsches Luftfahrtunter-
nehmen hatte Platzreserven im Frachtraum – groß
genug für die Bordküche. Wird sie nach unten ver-
lagert, lassen sich am Oberdeck etwa 15 weitere
Plätze für zahlende Passagiere unterbringen. Also hat
sich die ESW an die Entwicklung eines Liftsystems für
Airbus gemacht, damit Speisen und Getränke in die
Passagierdecks transportiert werden können. Die ESW
hat die Entwicklungskosten vorgeschossen – in der
vagen Vermutung, den Auftrag bekommen zu können.
Das Risiko wurde letztlich mit dem Zuschlag belohnt.
Bereits seit Frühjahr 2004 fl iegt der Lufthansa-Airbus
A340-600 mit Liftsystemen der ESW.
Aber im Unterschied zu starren Häuserwänd arbeitet
das Material im Flugzeug ständig, und damit muss der
Lift zurechtkommen. Ein ausgeklügeltes Sensorsystem
sorgt dafür, dass der Lift immer an der richtigen Stelle
ankommt. Auch ein Seilsystem wäre zu unzuverlässig.
Deshalb haben ESW-Ingenieure ein neues Konzept
ausgetüftelt, bei dem der Aufzug mit einem Endlos-
zahnriemen befördert wird.
Es ist laut in der Halle, in der die Lifte einem Belastungs-
test ausgesetzt werden. Schon seit Monaten läuft ein
Versuch, um nachzuweisen, dass der Aufzug auch
dann noch zuverlässig funktioniert, wenn das eine oder
andere Verschleißteil aussetzt. Ritsch, ratsch, rauf und
runter, immer wieder. Die Anlage macht richtig Krach,
funktioniert aber trotzdem noch wie ein Uhrwerk.
Redundanz heißt das Zauberwort im Flugzeugbau
– überall sind Netz und doppelter Boden aufgespannt,
damit alles auch dann noch funktioniert, wenn es
eigentlich kaputt ist. »Denn das Flugzeug soll immer
erst dann runterkommen, wenn der Pilot es will, nicht,
wenn die Technik es will« – das ist ein Standardsatz
von Klaus Stölting, bei der ESW verantwortlich für
Unternehmensentwicklung und Kommunikation.
Sicherheitsrelevant ist im Flugzeug fast alles – auch
die Enteisungssysteme, für die die ESW ebenfalls
Spezialist ist. Zur Enteisung zählt der Drain Mast, der
das Kondenswasser und das so genannte Grauwasser
aus Handwaschbecken und Küche aus dem Flugzeug
leitet. Und das sind zwischen 500 und 800 Liter pro
Transatlantikfl ug. Dabei darf das Grauwasser nicht
zum Eisblock gefrieren, auch bei minus 40 oder 50
Grad Celsius muss es in Tröpfchenform in die Atmo-
sphäre gelangen, um dort zu verdunsten. Und weil
Elektrizität an Bord ein knappes Gut ist, lautete der
Anspruch von Airbus, dass der Drain Mast nur auf
das Nötigste erhitzt wird, also gerade bis über den
Schmelzpunkt des Wassers. Das erreicht ESW mit
Damit es im Notfall schnell geht: Die
von der ESW entwickelte Hubschrau-
ber-Rettungswinde wird sowohl für
militärische als auch zivile Zwecke ein-
gesetzt – beispielsweise vom ADAC.
36 Mechatronik
einem ausgeklügelten integrierten Sensorsystem.
Das ganze System ist so gebaut, dass es auf keinen
Fall ausfallen oder gar durchbrennen kann. Das
gilt genauso für andere Enteisungssysteme, etwa
für beheizte Türverriegelungen, Treibstoff- oder
Wassertankverschlüsse, die ebenfalls von der ESW
gebaut werden, genau wie die Heizungen für die
Frachträume, damit beispielsweise mitfl iegende Tiere
keinen Schaden nehmen.
Überall bei der ESW hängen Bilder von Hubschraubern
und militärischen Fahrzeugen, von Schiffen und
Flugzeugen, die das Unternehmen mit dem einen
oder anderen System ausstattet – so auch vom neuen
PUMA-Schützenpanzer. Der Panzer, der seine Besatzung
entsprechend neuester Standards vor Minen schützen
soll, trägt an vielen Stellen die Handschrift der ESW.
Beispielsweise beim Antrieb, wo das Unternehmen
von der üblichen Trias von Getriebe, Anlasser und
Lichtmaschine abweicht. Ein Startergenerator über-
nimmt die Funktionen sowohl des Anlassers als auch
der Lichtmaschine und kann zudem höhere Ströme
bereitstellen. Das Konzept könnte sich über kurz oder
lang auch bei zivilen Nutzfahrzeugen durchsetzen.
Außerdem stellt die ESW die Bordnetzversorgung,
das Grobstaubgebläse, Lüftermotoren und für die
Klimaanlage Wechselrichter und Antriebsmotor. Zudem
liefert die ESW die Stabilisierungssysteme, mit denen die
Waffe ein Ziel auch dann nicht aus dem Visier verliert,
wenn sich das Fahrzeug in unebenem Gelände bewegt.
Aus solchen Stabilisierungssystemen hat sich einst die
Neigetechnik für Züge entwickelt, die sich damit wie
Motorräder in die Kurve legen und auf kurvenreichen
Strecken um bis zu 30 Prozent schneller werden. Die
Neigetechnik der ESW fährt in den Regionalzügen
der Deutschen Bahn AG mit und legt sich auch mit
britischen, spanischen, koreanischen und chinesischen
Eisenbahnwagen in die Kurve. Herzstück sind die
elektronisch geregelten Linearmotoren, die die Wagen
in den Drehgestellen um bis zu acht Grad neigen.
»Bei unserer Neigetechnik haben wir so gut wie keine
Ausfälle. Nur einmal hatte Schnee die Anlage blockiert,
mit einem einfachen Leitblech ließ sich das leicht
beheben«, so Dr. Klaus Stölting.
Im grau-oliven Markt, wie Dr. Klaus Stölting den
Militärtechnikbereich nennt, bietet die ESW stabilisierte
Die Wegwerfgesellschaft hat bei der Fliegerei
noch nicht Einzug gehalten: Flugzeuge haben
eine Lebenszeit von ungefähr 30 Jahren.
Flugzeugteile müssen das Flugzeug sogar
noch überleben. Und die ESW lebt von der
langen Laufzeit ihrer Produkte. Da wird hin
und wieder eine Wartung erforderlich –
wie hier beim Drain Mast.
37Mechatronik
Waffensysteme heute nicht nur für militärische
Landfahrzeuge, sondern auch für Schiffe und für Hub-
schrauber an. Und für Kampfhubschrauber hat die
ESW ein innovatives Konzept ersonnen, bei der die
Zielerfassungsoptik nicht unterhalb, sondern oberhalb
der Rotorblätter liegt, sodass der Helikopter längere Zeit
in Deckung bleiben kann. Für Hubschrauber bestimmter
Typen bietet das Unternehmen auch Enteisungssysteme
für die Rotorblätter an, wobei hier die Stromversorgung
nicht über feste Kabel funktionieren kann, sondern
über Schleifkontakte, um die schnell rotierenden Teile
zu erwärmen. Ebenfalls für Hubschrauber gehören
Rettungswinden zum Portfolio, um Personen oder
Fracht zuverlässig an Bord zu holen – wichtig ist das im
Rettungs- und im Militäreinsatz.
Wie ein überdimensionales Ei wirken die so genannten
Radome, die das Radarsystem an der Spitze der
AWACS-Aufklärer-Flugzeuge schützen. Die Radome
bestehen aus Kunststoff, ihre Oberfl äche ist wie
eine Bienenwabe strukturiert. Die regelmäßigen
Sechsecke machen die Konstruktion stabil – und doch
verhältnismäßig leicht. Allerdings kommt es manchmal
zu Beschädigungen, wenn beispielsweise ein Vogel
gegen die Konstruktion prallt. Die Hülle ist dann nicht
mehr an allen Stellen homogen, und auf dem Radarbild
entstehen Flecken. Per Ultraschall überprüfen ESW-
Mitarbeiter die Radom-Wandstärke und können ent-
sprechend ausbessern. »Und zwar so«, sagt Dr. Klaus
Stölting, »dass man hinterher nichts mehr sieht. Da sind
wir die Besten auf der Welt.«
Die Zukunft der Aufklärung gehört allerdings den
unbemannten Drohnen, und auch an diesen hat die
ESW eine Aktie – sie baut Radome für Aufklärungs-
und Kampfdrohnen, aber auch für Hubschrauber.
Ebenso baut und wartet das Unternehmen die langen
Nasen, die an der Flugzeugspitze die Radarsysteme von
Tornados, Eurofi ghter und der C-160 Transall schützen.
Für eine ganze Zahl von Fahrzeugen, Flugzeugen
und Schiffen stellt die ESW zudem Generatoren,
Gleichrichter und Wechselstrommaschinen her.
Hinzu kommen Bodenstromaggregate – wenn ein
Militärfl ugzeug am Boden steht oder startet, wird es
aus ESW-Geräten mit Strom versorgt.
Zivile Maschinen ziehen ihren Strom hingegen aus
Geräten der Lechmotoren GmbH, einer Tochter-
Schutz für sensible
Flugzeugnasen: Die aus
Kunststoff bestehenden
Radome schützen emp-
findliche Instrumente
– beispielsweise das Wet-
terradar – an der Spitze
von Flugzeugen und
Hubschraubern.
38
gesellschaft der ESW, die seit Anfang 2004 dazugehört.
In diesem Fall ist die Technologie, die dahinter steckt,
identisch, im allgemeinen aber ergänzt das Altenstädter
Unternehmen das ESW-Portfolio vor allem um
Maschinen mit höherer Leistung: Die ESW bietet
Anlagen bis zu 150 Kilowatt, und über 150 Kilowatt
beginnen die Maschinen von Lechmotoren – im Einsatz
beispielsweise als Antriebsaggregate oder für die
Versorgung mit elektrischem Strom in Straßenbahnen
oder Zügen.
Die ESW gehört seit 1997 Jahren zur Jenoptik und zählt
zusammen mit Lechmotoren rund 870 Mitarbeiter,
davon etwa 180 Ingenieure – vor allem für Elektro-
technik und Elektronik, aber auch Physiker und Flug-
zeugingenieure. Klaus Stölting: »Flugzeugingenieure
sind schwer zu bekommen, weil wir als Zulieferer der
Flugzeugbauer für die Absolventen auf den ersten Blick
neben Airbus zunächst die Nummer zwei sind. Wenn
sie aber zu uns kommen, sind sie schnell von der Vielfalt
der Aufgaben fasziniert, denn sie werden bei uns mit
den unterschiedlichsten Arbeitsthemen betraut.«
Entsorgt pro Langstreckenflug bis zu
800 Liter Wasser aus dem Airbus: Der
Drain Mast. Ausgeklügelte Sensortech-
nik sorgt dafür, dass das Wasser in einer
Flughöhe von 10.000 Metern nicht
gefriert, sondern in der Atmosphäre
verdunsten kann.
39Mechatronik