Optische Systeme: Steuern und Messen mit Licht

Licht – ein außergewöhnliches Phänomen

Optische Systeme und alle anderen Themen rund um das Licht werden unter dem Begriff Photonik zusammengefasst. Ein Photon ist ein einzelnes Lichtteilchen. Zusammengenommen besitzen diese Teilchen sehr ungewöhnliche Eigenschaften, die in verschiedenen Formen zunehmend in der Industrie genutzt werden:

Licht lässt sich bis in den Nanometerbereich fokussieren.

Die Lichtgeschwindigkeit ist die maximal erreichbare bekannte Geschwindigkeit.

Kein anderes Teilchen oder Element erreicht so kurze Pulse wie das Licht.

Licht erzielt Leistungen bis in den Petawatt-Bereich, dieser bezeichnet Milliarden von Megawatt.

Licht lässt sich störungsfrei bis in den Terabit-Bereich überlagern.  

 

Optische Systeme im Alltag

Optische Systeme werden schon heute vielfach im Alltag genutzt und das sogar an unerwarteten Orten. In der Licht- und Beleuchtungstechnik haben die Systeme mittlerweile einen festen Platz und zwar innerhalb komplexer Gesamtsysteme, zum Beispiel

als Stromquelle in der Solartechnik

im Bereich der Richtcharakteristik von Lampen

als Hologramm auf Geldscheinen

in Studioscheinwerfern zum Ausleuchten von Szenen und Objekten

in Digitalkameras und Mikroskopen

Optische Systeme in der Lasertechnologie kommen in Informationslasern oder Bearbeitungslasern zum Einsatz. Weitere Beispiele für optische Systeme finden sich im Bereich der Kfz- und Verkehrstechnik für Mess- und Erkennungsströme oder Multifunktionsarmaturen sowie in der Medizin. Die Überprüfung von Medikamenten, der Einsatz in Mikroskopen oder die Durchführung von Laserbehandlungen sind nur einige Beispiele. Einen großen Bereich stellt die Sensortechnik dar. Optische Systeme kommen als Mess- und Überwachungstechnologien zunehmend häufiger zum Einsatz. 

 

Messen, Vermessen und Überwachen mit optischen Systemen

Optische Systeme als Messgeräte erlauben feinste Messungen auch im Mikro- und Nanobereich und das berührungslos. Dies unterstützt die Materialentwicklung mit sehr feinen Strukturen und ermöglicht so Entwicklungen und Fortschritte in diesem Bereich, die andernfalls kaum realisierbar wären. Andere Einsatzbereiche sind unter anderem:

Infrarottechnik

Flugzeugerkennung per Radar

Biometrische Verfahren

Spektralanalysen

Qualitätssicherung

Die Internettechnologie basiert schon heute in hohem Maße auf optischen Systemen – zum Beispiel durch den Einsatz von Glasfasertechnologie als optische Hochleistungskanäle. 

Die optische 3-D-Messung

In der Industrie ist Präzision bei der Fertigung ein wichtiger Wettbewerbsvorteil. Zunehmend kommen deshalb optische 3-D-Messsysteme zum Einsatz, die nach dem Triangulationsprinzip arbeiten. Die berührungslos arbeitenden Systeme ersetzen die mechanischen Lehren, die bislang in der Prozessmesstechnik verwendet werden, oder unterstützen die Digitalisierung von Neuentwicklungen durch hochpräzise Messungen. Im Karosseriebau und für die Herstellung von Formwerkzeugen in der Automobilindustrie ist dieses Verfahren auf dem Vormarsch und sorgt für effiziente und wirtschaftliche Prozessabläufe. Je nach Form des Werkstücks kann zwischen zwei Prinzipien für die 3-D-Messung gewählt werden:

Systeme mit punktförmiger Antastung arbeiten mit mehreren Kamerasystemen. Durch die Messung von definierten Einzelpunkten entsteht ein Gesamtbild. Die Vermessung erfolgt dabei durch optoelektronische Kameras (CCD-Kameras) anhand von Bildern. Durch die Messung aus unterschiedlichen Perspektiven werden Informationen gesammelt, die zur Berechnung der Geometrie dienen.

Systeme mit flächenhafter Antastung eignen sich für freie Formen. Per Streifenprojektion oder mittels ähnlicher Funktionsprinzipien wird die Form flächenhaft erfasst, gemessen werden können in der Regel Werkstücke bis zu einem Volumen von 1 m³.
 

Gebündeltes Licht als Steuerelement

Optische Systeme werden in Form von Lasersteuerung heute bereits in der Forst- und Landwirtschaft oder im Straßenbau verwendet. Die Lasersteuerung ermöglicht exaktes Arbeiten auch auf sehr großen Flächen. Das Grundprinzip besteht zum Beispiel aus fest auf der Fläche positionierten Lasersendern, die die Fläche per Licht definieren. Am Gerät selbst sind die korrespondierenden Empfänger montiert. Die Informationen werden an das Gerät übergeben und in einer Steuereinheit verarbeitet. Diese wiederum gibt selbstständig die jeweiligen Befehle weiter. Durch die Anordnung des Systems und die Möglichkeiten, die optische Systeme in der Steuerung bieten, sind die Geräte – wie zum Beispiel Planierschilder im Straßen- oder Hallenbau – präzise und autonom steuerbar, und zwar in Höhe und Neigung.
 

Das Zeitalter des Lichts

Bereits seit mehreren Jahren zeichnet sich im Bereich der optischen Industrie eine deutliche Entwicklung ab, zum Teil wird das 21. Jahrhundert bereits als „Zeitalter des Lichts“ bezeichnet. Die Photonik gilt als Technologie, die einen Querschnitt durch viele verschiedene Wissenschaftsgebiete liefert und in verschiedenen Bereichen anwendbar ist. Als Schlüsseltechnologie nutzt sie die positiven Eigenschaften des Lichtes und verbindet ganz unterschiedliche Bereiche miteinander. In der Photonik-Branche arbeiten in Deutschland mittlerweile mehr als 130.000 Menschen – Tendenz steigend. Der Weltmarkt rund um optische Systeme ist heute global umworben und verzeichnet einen Jahresumsatz von 250 Milliarden Euro.