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.

412

20

34

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

LICW E R K Z E U G E A U S

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

D A S K A N N

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

SensorikSpiel mit den wellenlän

20

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

V I E L FA LT N I C H T N U R

G

34

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