Edelsteinanalyse mit Raman-Spektroskopie

POLYTEC INFO 73. AUSGABE
I n fo
Anwendungen und News aus dem Bereich der Photonischen Technologien
Bildverarbeitung:
Schienenüberwachung mit
Hochgeschwindigkeitskameras
Seite 6
Hyperspectral Imaging:
Großes Potential in der Landwirtschaft
Seite 14
Spektroskopie:
FTIR-Analysen für
Kunst und Archäologie
Seite 16
Faseroptische Sensorik:
FBG-Sensoren
in der Praxis
Seite 21
Laser:
Neue Augen-OP-Technik
mit Ultrakurzpuls-Lasern
Seite 23
Service:
Benzin- und
Reifenanalyse beim
Porsche Carrera Cup
Seite 25
Edelsteinanalyse
mit Raman-Spektroskopie
Seite 18
Editorial
Lebensdauer von
LED-Beleuchtungen
Seite 3
Perfekte Pizzaböden
dank 3D-Bildverarbeitung
Seite 4
Schienenüberwachung mit
Hochgeschwindigkeitskameras
Seite 6
Dr. Alexander Huber
Objektive in der Bildverarbeitung
Seite 8
Dr. Hans-Lothar Pasch
Licht im Tunnel
Seite 10
Liebe Leserin, lieber Leser,
Photonische Technologien bieten unglaublich viele Anwendungsmöglichkeiten.
Einen kleinen Eindruck darüber wollen wir Ihnen wieder mit dieser Ausgabe
der INFO vermitteln, dazu wertvolles Grundlagenwissen.
Im Bereich der industriellen Bildverarbeitung finden Sie zum aktuellen Thema
3D einen Bericht zur dreidimensionalen optischen Prüfung von Pizzaböden.
Weiter erfahren Sie mehr über automatisierte Schienennetzkontrolle mit Hochgeschwindigkeitskameras, über die spektroskopische Bestimmung von Edelsteinen
und über interessante archäologische Spektrenanalysen, mit deren Hilfe sogar
die Brenntemperatur frühzeitlicher Keramiken festgestellt werden kann.
Wenn wir es mit dieser INFO wieder schaffen, Ihnen auf kurzweilige und
informative Art Neues aus der Welt der Photonik zu vermitteln, dann haben
wir unser Ziel erreicht. Eine Rückmeldung von Ihnen würde uns freuen und
wäre neuer Ansporn und Motivation für die nächste Ausgabe.
Viel Vergnügen beim Lesen wünschen Ihnen
Dr. Hans-Lothar Pasch
Geschäftsbereichsleiter
Photonik
Geschäftsleitung
Polytec GmbH
Anwendungen mobiler Spektroskopie
Seite 15
FTIR-Analysen für
Kunst und Archäologie
Seite 16
Spektroskopisches Reflektometer
Seite 20
Laser &
Lasersysteme
Strahlungsmesstechnik
Hardware & Software
Know-how & Erfahrung
Service & Dienstleistung
Spektroskopie
Partnerschaft
Optische
Telekommunikation
Hyperspectral Imaging:
großes Potential für die Landwirtschaft
Seite 14
Edelsteinanalyse
mit Raman-Spektroskopie
Seite 18
Kompetenzfelder
Elektro-optische
Testsysteme
SWIR-Kameras in der Bildverarbeitung
Seite 12
Leistungsstarke Minispektrometer
Seite 17
Dr. Alexander Huber
Bildverarbeitung
Photonisches Sintern
in Forschung und Fertigung
Seite 11
Faseroptische
Sensorik
Faser-Bragg-Sensoren
in der Praxis
Seite 21
Neue Augen-OP-Technik
mit Ultrakurzpuls-Lasern
Seite 23
„Donuts“ für optische Fallen
und konfokale Mikroskopie
Seite 24
Vielseitiger Service bei Polytec
Seite 25
PV- & HalbleiterMesstechnik
2
Polytec-Produktübersicht
Seite 26
Messen
Seite 28
Bildverarbeitung
50 x langlebiger als Glühlampen
Lebensdauer von
LED-Beleuchtungen
Als Lebensdauer einer LED bezeichnet man in der Regel die Zeit, nach der die
Leuchtstärke auf 50 % des Anfangswertes abgesunken ist. Leuchtdioden fallen
üblicherweise nicht plötzlich aus, sondern verlieren über die Zeit einen Teil ihrer
Licht­ausbeute. Im Nachfolgenden werden die Ursachen und Möglichkeiten
zur Abhilfe näher betrachtet.
Unterschiedliche Lampentypen
Bei weißen, blauen und grünen LEDs
können in der Regel Lebensdauern von
50.000 Betriebsstunden erzielt werden.
Für rote LEDs werden die Lebensdauern
mit 100.000 Stunden angegeben. Sie
verlieren 10 - 15 % ihrer Helligkeit in den
ersten 1.000 Betriebsstunden, weitere
10 – 15 % innerhalb 10.000 Betriebsstunden und die restlichen 10 – 15 %
bei bis zu 100.000 Betriebsstunden.
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Rote LED (bei Normaltemperatur)
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Weiße LED (bei Normaltemperatur)
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Rote LED (bei 50 °C Umgebungstemperatur)
Betriebsdauer [h]
Leistungsverlust unterschiedlicher LED-Typen
Zum Vergleich seien hier die mittlere
Lebensdauer konventioneller Lampen­
typen genannt:
nGlühlampe:
ca. 1.000 Betriebsstunden
Neben geringem Energieverbrauch,
Zuverlässigkeit und günstigen Herstellungskosten ist die LED nicht zuletzt
wegen ihrer hohen Lebensdauer heute
das wirtschaftlichste Leuchtmittel.
nHalogenlampe:
ca. 2.000 – 3.000 Betriebsstunden
nEnergiesparlampe:
6.000 Betriebsstunden
nLeuchtstofflampe:
8.000 Betriebsstunden
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Vorbeugende Abhilfe
Allerdings ist nicht nur die Lebensdauer
tem­pe­raturabhängig. Auch die Helligkeit und damit die Effizienz lassen mit
zunehmen­der Wärme nach. Viele LEDBeleuchtungen mit hoher Lichtleistung
werden deshalb mittels metallischer
Kühlkörper gekühlt. Eine intelligente
Elektronik gewährleistet zudem eine
optimale und stabile Spannungsver­
sorgung und damit eine längere
Lebensdauer.
120
Leuchtsärke [relativ]
Entscheidende Faktoren
Die Lebensdauer einer Leuchtdiode
hängt zum größten Teil von den Faktoren
Wärme, Spannung und Strom ab. Hohe
Temperaturen werden durch starke Ströme
erzeugt und verkürzen die Lebens­dauer
von LEDs drastisch, indem Fehlstellen im
Kristall durch thermische Einflüsse vergrößert werden. Zwar sieht man häufig
auf Datenblättern, dass eine LED 80 °C
und mehr aushält, aber grundsätzlich
gilt: je kühler die Um­gebungstemperatur,
desto länger die Lebensdauer. Raum­
temperaturen bis +40 °C gelten heute
als optimale Werte.
Bildverarbeitung
Automatisierte Qualitätskontrolle in der Lebensmittelindustrie
Perfekte Pizzaböden
dank 3D-Bildverarbeitung
Der norwegische Lebensmittel­
hersteller Stabburet AS produziert
mit ca. 1.000 Mitarbeitern in acht
Produktionsstätten Fertiggerichte
wie beispielsweise Tiefkühlpizzas,
Getränke und Süßwaren. Für eine
automatisierte Qualitätskontrolle
von Pizzaböden im Produktionsprozess wurde mit Hilfe der 3D-­­
Bildverarbeitungs­software Scorpion
Vision eine Lösung entwickelt,
die bis zu 7200 Teiglinge pro
Stunde auf Größe, Form, Dicke,
Oberflächenstruktur und -farbe
kontrolliert.
Bild 1: 3D-Bildverarbeitungssystem, bestehend aus Kameras, Rechner,
Triangulationslaser und Monitor im Edelstahlgehäuse
Bild 2: Laser-Triangulation: Laserlinie (oben) und digitale Auswertung (unten)
Messung am „lebenden Objekt“
Die Herausforderung bestand darin,
die Qualitätsmerkmale der Teig-Rohlinge
so zu differenzieren, dass der schmale
Grat zwischen individuellem Rohling und
Ausschuss gemeistert wird. Eine nicht
leicht zu lösende Aufgabe, da „lebendiger“ Teig im Vergleich zu klas­sischen
indus­triellen Massenprodukten von Natur
aus ein Einzelstück ist. Darüber hinaus
sollten auch unterschiedliche Teiglinggrößen und -formen erkannt werden.
Die Lösung: 3D-Bildverarbeitung
Das modulare und synchronisierte Bildverarbeitungssystem (Bild 1) besteht aus
einem Förderband, der Bildverarbeitungs4
Hard- und Software sowie einer Aus­
stoßvorrichtung. Durch eine spalt­breite
Unterbrechung im Förderband wird der
Teigling zunächst von unten mit einer
Zeilenkamera abgetastet und die Ober­
fläche auf zu dunkle oder zu blasse Stellen
überprüft. Die Oberflächen- und Dicken­
inspektion erfolgt im zweiten Schritt. Bei
der 2D-Kontrolle werden Durchmesser,
Länge und Breite ermittelt (Bild 2).
Kleine und mittlere Deformationen sowie
Randschäden, die bei der 2D-Über­prü­
fung unentdeckt blieben, werden in der
Umriss-Kontrolle erkannt (Bild 3). Beim
nächsten Schritt wird der Teig in der
Oberflächenkontrolle auf dunkle oder
blasse Stellen geprüft, wie zuvor von
der Unterseite. In der Positions­kontrolle
werden die Böden nun auf Positionen auf
dem Band kontrolliert, die im späteren
Produktionsprozess problematisch werden
könnten (Bild 4). Die 3D-Überprüfung
auf Gesamt­dicke, Blasen, Löcher und die
bereichsspezifische Dicke bei Produkten
mit unterschied­lichen Stärken – zum Beispiel entlang der Ränder – erfolgt über
Laser-Triangulation und konnte mit der
Scorpion Vision-Software erfolgreich
umgesetzt werden. Beim Triangulationsverfahren wird eine Laser­linie auf den
Prüfling projiziert. Aus der lokalen De­formation dieser im Durchlauf erfassten
Linien errechnet das System ca. 2.500
einzelne Höhendaten auf dem Pizza­
boden.
Optimale Prozessumgebung
Am Ende der Anlage sorgt eine Ausstoßvorrichtung, die in einem Spalt des
Förderbands installiert ist, dafür, dass
ungeeignete Pizzaböden mit Hilfe von
Pressluft aus dem Produktionsprozess ausgesondert werden. Dabei wird für jedes
Einzelobjekt ein Druckluftmuster erzeugt,
das aus den individuellen Bildverarbeitungsdaten errechnet wird, um den
Druckluftverbrauch gering zu halten.
Die Bandgeschwindigkeit der Anlage
erreicht bis zu 60 m/s. Dabei können
unterschiedliche Teiglingformen (rund,
quadratisch und rechteckig) sowie Größen
von 100 bis 400 mm verarbeitet werden.
Für Durchmesser und Randfehler beträgt
die Messgenauigkeit ca. 0,5 mm, für die
Dicke ca. 1 mm. Die Operator-Schnittstelle besteht aus einem Touchscreen
Bild 3: 3D-Daten aus x,y,z-Werten (links) und die aus den Daten
ermittelten Fehler (rechts)
an der Anlage, lässt sich aber auch an
einem anderen Ort oder für die OnlineÜber­wachung einrichten.
Polytec arbeitet seit Jahren mit Tordivel,
dem norwegischen Hersteller von Scorpion
Vision, zusammen und ist im deutschsprachigen Raum Ansprechpartner für
die Beratung, Vertrieb und Integration
der 3D-Software.
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Bild 4: Erkennung von Randschäden (rechts) und Durchmesser­
bestimmung mit Minimum und Maximum (links)
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Bildverarbeitung
Sicherheit automatisch und lückenlos
Schienenüberwachung mit
Hochgeschwindigkeitskameras
Ein völlig neues Anwendungsgebiet der Bildverarbeitung wird derzeit mit
dem Hochgeschwindigkeits-Kamerasystem PROMON von AOS Technologies
eröffnet: die automatisierte Überwachung und Prüfung von Bahnschienen.
Klassische Bildverarbeitungsanwendungen konzentrierten sich bisher auf
automatisierte Industrieprozesse – von der Getränkeabfüllung über Ver­
packungsstraßen bis hin zu Qualitätskontrollen.
Bild 1: Typische Straßenbahnschiene
mit Verschleißspuren
6
Klassisch: Visuelle Kontrolle
Schienen von Nahverkehrsmitteln wie
Straßen- und S-Bahnen werden noch
immer überwiegend durch Abschreiten
und optische Inspektion der Gleise kontrolliert (Bild 1). Dieser Kontrolle kommt
als Grundlage für die Instandhaltung
eine überaus wichtige Bedeutung zu.
Die Schienen unterliegen einem Verschleiß und müssen rechtzeitig repariert
oder ersetzt werden, da die Verfügbarkeit
des Schienennetzes wie auch die Sicherheit der Fahrgäste gewährleistet werden
muss.
Die Problematik dieses Kontrollverfahrens
besteht darin, dass das Abschreiten und
visuelle Beurteilen der Gleise vor Ort
stark personenabhängig und nicht reproduzierbar ist. Die persönliche körperliche
Verfassung, die Ermüdung der Augen,
unterschiedliche Licht- und Wettersituationen sowie die individuelle Erfahrung
beeinflussen die Wahrnehmung und Beurteilung. Ein zweiter Prüfer würde unter
anderen Bedingungen die gleichen Stellen
möglicherweise anders beurteilen.
In verschiedenen Pilotprojekten mit Nahverkehrs- und Seilbahnen innerhalb und
außerhalb Europas werden deshalb
derzeit kundenspezifische automatische
Systeme erprobt.
Die Alternative: automatische Erfassung
und softwaregesteuerte Analyse
Am Fahrzeug befestigte, mitfahrende
Kamerasysteme mit passender Beleuchtungseinrichtung nehmen bei normaler
Fahrgeschwindigkeit die Schienen lücken­los auf (Bild 2). Anschließend erfolgt die
Auswertung der Aufnahmen an einem
Bildschirmarbeitsplatz. Die Betrachtung
kann dabei in kürzere Sitzungen unterteilt werden, um die Aufmerksamkeit nicht
zu beeinträchtigen. Durch Kennzeichnung
der Bilder mit Datum, Uhrzeit und der
exakten GPS-Position sind diese eindeutig
zuzuordnen und archivierbar – eine wertvolle Referenz für erneute Beurteilungen
und um Veränderungen und Trends
transparent zu machen (Bild 3).
Einen Schritt weiter geht die software­
gestützte Analyse und Auswertung, die
eine erhebliche Ressourceneinsparung
bedeutet. Über spezielle Bildalgorithmen
werden Abweichungen von definierten
Standards gefunden und dem Kontrolleur
automatisch zur Beurteilung vorgelegt.
Dieser bewertet die entsprechende Gleisstelle und entscheidet nach „akzeptabel”
oder „kritisch“. Als kritisch gekennzeichnete Bilder werden summarisch in einem
Bericht aufgeführt.
Viele Vorteile
Der Nutzen solcher Überwachungssysteme
liegt auf der Hand: Durch die automatische
Bilderfassung reduziert sich der Personalaufwand erheblich, die Bilderfassung
erfolgt sozusagen „nebenbei“ im normalen Fahrbetrieb – es sind keine speziellen
Messwagen oder Betriebsstopps wegen
Streckenbegehungen erforderlich und
die Systeme können zwischen Fahrzeugen getauscht werden. Besonders ins
Gewicht fällt auch die höhere Qualität
der Überwachung durch die Trennung
von Erfassung und Auswertung. Die Er­fassung erfolgt automatisch und lückenlos, die Auswertung unter optimalen
Arbeits­bedingungen, und eine Archivierung ist problemlos möglich.
Ohne größere Modifikationen ist der Einsatz dieser Systeme auch für viele weitere
Schienensysteme möglich, zum Beispiel
in Achterbahnen von Vergnügungsparks
oder Bergbahnen.
Anforderungen an die Messtechnik
Anwendungen dieser Art stellen hohe
Anforderungen an das Bildverarbeitungssystem: die Auflösung muss ausreichen,
um auch feine Risse und Schäden zu
erfassen. Die Bildrate muss mit der Fahrgeschwindigkeit synchronisiert werden
und hoch genug sein, um die Schienen
lückenlos zu erfassen. Schließlich muss
das gesamte System muss so robust ausgelegt sein, dass harte Einsatz- und Klimabedingungen wie Vibrationen, Feuchtigkeit und Temperaturunterschiede nicht
zum Problem werden. Zusätzlich ist eine
kom­pakte Bauform erforderlich, um eine
ideale Kameraposition trotz beengter
Einbausituationen zu gewährleisten.
PROMON-Kamerasysteme verrichten seit
Jahren zuverlässig ihren Dienst in vielen
Industrieanwendungen, beispielsweise
bei Gesteinsmühlen der schweizerischen
ABB Minerals AG in Wüstengebieten, oder
in der Luftfahrtindustrie bei DassaultAviation und Airbus Industries. Ergänzt
durch geeignete Schutzgehäuse und Einbauvorrichtungen lassen sich die Systeme
individuell an ganz unterschiedliche Fahrzeuge anpassen. Nicht zuletzt aufgrund
ihrer Leistungsmerkmale wie Bildraten
bis zu 600 Bildern pro Sekunde, Aufzeichnungskapazitäten von über 3 Stunden und
speziell entwickelten Bildalgorithmen zur
Fehlererkennung bieten Kamerasysteme
von AOS hervorragende Voraussetzungen,
um diese Aufgaben zu lösen.
Bild 3: Gespeicherte Aufnahme
eines Schienenabschnitts mit Angaben
zu Aufnahmezeitpunkt und Position
7
Bild 2: Versuchsmontage von Kamera
und Beleuchtung an einem Triebwagen
Polytec ist seit vielen Jahren Vertriebsund Integrationspartner von AOS Technologies für Deutschland und bietet
neben den Kamerasystemen umfassende
Beratung, Schulung und Systemintegra­
tion. Kundenspezifische Systeme werden
in enger Zu­sammenarbeit zwischen Kunde,
Polytec und AOS definiert und entwickelt.
Sprechen Sie uns an!
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Bildverarbeitung
Breite Auswahl für den richtigen Blick
Objektive in der
Bildverarbeitung
In der Bildverarbeitung spielt die Auswahl des zur Kamera optimal passenden
Objektivs eine wichtige Rolle für eine ausgewogene Gesamtlösung. Hier finden
Linsensystem
Sie ausführliche Informationen zur Unterscheidung der unterschiedlichen
Blende
Objektivtypen und deren Anwendungsschwerpunkte.
Aufbau des Objektivs
Das Objektiv (Bild 1) besteht aus mehreren
Linsen, die in der Summe die Brennweite
bestimmen. Des Weiteren umfasst das
Objektiv noch die Blende, einen Kameraanschluss und ein Filtergewinde.
Filtergewinde
Kameraanschluss
Bild 1: Komponenten eines Objektivs
8
Standardobjektive
Objektive mit einem Brennweiten­bereich
von ungefähr 4 – 75 mm werden in die
Gruppe der Standardobjektive zusammen­
gefasst.
nWeitwinkelobjektive
haben einen Bildwinkel, der höher ist als der Blickwinkel
des menschlichen Auges (ca. 60°).
Anhaltswerte:
• Im Fall eines 1/2“-Sensors beginnt
der Weitwinkelbereich bei ca. 6 mm
und kleiner.
• Für einen 2/3“-Sensor beginnt
der Weitwinkelbereich bei ca. 8 mm
und kleiner.
• Für einen 1“-Sensor beginnt
der Weitwinkelbereich bei ca. 12 mm
und kleiner.
nNormalobjektive
weisen als Brennweite die Diagonale des Sensors aus.
Der Bildwinkel eines Normalobjektives
beträgt daher 53°. In der Praxis spricht
man von Normalobjektiven bei einem
Bildwinkel von ca. 40 – 50°.
nAls
Teleobjektiv werden Objektive
mit einem Bildwinkel von weniger
als 40° bezeichnet.
Zoomobjektive
Die Begriffe Zoomobjektiv und Vario­
objektiv sind Bezeichnungen für ein und
denselben Objektivtyp. Es handelt sich um
Objektive mit verstellbarer Brennweite,
wobei beim Verstellen die Schärfe konstant bleibt.
Eine Sonderform der Zoomobjektive ist
das Vario­focalobjektiv, das während des
Zoom­vorganges die Schärfe nicht beibehält.
Bei Zoomobjektiven wird in der Regel die
kleinste und größte Brennweite angegeben. Zusätzlich geben einige Hersteller
auch die Relation zwischen den beiden
Grenzbrennweiten an (z.B. 10-fach
Zoom bei 10 – 100 mm Brennweite).
Telezentrische Objektive
Bei telezentrischen Objektiven (Bild 2)
ver­laufen die Bildstrahlen parallel zur
optischen Achse. Das Objekt wird
dadurch unabhängig von der Position
zum Objektiv immer mit einem bestimmten Verhältnis zum Original abgebildet
und es entsteht bei unterschiedlichen
Arbeitsebenen kein Messfehler wie bei
Standardobjektiven. Durch den parallelen
Strahlengang ist die maximale Größe des
Objekts allerdings auf den Durchmesser
der Eingangslinse des Objektivs
beschränkt.
Makroobjektive oder -systeme
Objektive, die ein Objekt im Maßstab 1:1
oder vergrößernd auf der Bildebene
abbilden, bezeichnet man als Makro­
objektive (Beispiel in Bild 3).
Prinzipiell kann jedes Objektiv durch
Verringerung des Arbeitsabstandes mit
Hilfe von Zwischenringen oder Nahlinsen
als Makroobjektiv Verwendung finden.
Durch die Verwendung dieser zusätzlichen Komponenten nehmen allerdings
bildfeldabhängige Fehler deutlich zu,
beispielsweise die Verzeichnung. Echte
Makroobjektive wurden speziell auf
geringe Arbeitsabstände hin entwickelt,
wodurch die bildfeldabhängigen Fehler
auf ein Minimum reduziert werden.
Basis für ein solches Makroobjektiv ist
ein Grundkörper, der die wesentlichen
Eigenschaften wie Festbrennweite oder
Zoom, Schärfeeinstellmöglichkeiten,
Blende oder Lichteinspiegelung definiert.
Ein Adapter bestimmt die Vergrößerung,
die jedoch auch durch den Arbeitsabstand
beeinflusst wird. Der Arbeitsabstand wird
mit Hilfe der dritten Komponente, der
Front­linse, definiert. Bei einigen System­
objektiven kann dann auch zwischen verschiedenen Kameraanschlüssen ausgewählt werden. Eine Berechnung daraufhin,
welche Komponenten die gewünschten
Abbildungseigenschaften gewährleisten,
ist nicht trivial, jedoch stellen die Hersteller
solcher Objektive Tabellen und einfache
Berechnungs­formeln zur Verfügung.
Makroobjektive erreichen bis zu
400-fache Vergrößerungen.
Weitere Objektive
Es gibt noch eine ganze Anzahl weiterer
Objektivtypen, beispielsweise Mikro­
objektive oder Shiftobjektive, die aber
im Bereich der industriellen Bildverarbeitung keine Verwendung finden und auf
deren Vorstellung hier verzichtet wird.
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Makroobjektive haben in der Regel eine
kleinere Blendenöffnung als Standardobjektive, um die prinzipiell größere
Schärfenuntiefe bei geringen Arbeitsabständen auszugleichen. Zusätzlich
ver­ringert eine kleine Blendenöffnung
eventuelle Bildfehler, verursacht aber auch
automatisch eine geringere Lichtempfindlichkeit.
Kamera Mount
Makroobjektivsysteme erlauben dem An­wender, sich aus einem Systembaukasten
ein speziell für die jeweilige Anwendung
optimiertes Makroobjektiv „zu bauen“.
Adapter
Standardobjektiv
Fehler
Fehler
Grundkörper
Telezentrisches Objektiv
Frontlinse
Bild 2: Strahlengang eines Standardobjektivs (oben) und eines telezentrischen Objektivs (unten)
9
Bild 3: Makroobjektiv
Bildverarbeitung
Für bandgeförderte oder zylindrische Prüfgüter
Licht im
Tunnel
Bild 1:
Tunnelbeleuchtung
mit roten LEDs und
Objektivöffnung
Objekte mit gekrümmten und reflek­
tierenden Oberflächen sind im Rahmen
von Bildverarbeitungslösungen
immer wieder eine große Herausforderung für eine gleichmäßige
Beleuchtung. In vielen Fällen wird hier
die Dombeleuchtung als ideale Lösung
eingesetzt. Tunnelbeleuchtungen oder
auch Lichttunnel sind eine Sonderform
der Dombeleuchtung, um zylindrische
Objekte auszuleuchten, be­ziehungsweise
für die diffuse Beleuchtung von Objekten,
die auf Förderbändern transportiert werden. Hierbei hat der Tunnel eine typische
längliche Kuppel­form. Das Bild rechts
zeigt das Konstruktions­prinzip einer
Tunnel­beleuchtung mit diffus gestreutem
Licht als ideale Ausleuchtung für das
dar­gestellte zylindrische Objekt.
Das beste Ergebnis wird erzielt, wenn
die Beleuchtung – wie im Fall der Dombeleuchtung auch – so nah wie möglich
am Prüfobjekt angebracht wird, damit
das diffuse Licht das Objekt auch homogen und nahezu schattenfrei ausleuchten
kann. Je weiter die Beleuchtung entfernt
ist, desto geringer wird die diffuse
­Wirkung.
Bild 1 zeigt eine typische Tunnelbe­
leuch­tung mit oben liegender Objektivöffnung. Häufig kommt es vor, dass die
Objektivöffnung des Tunnels einen unerwünschten „Lichtfleck“ im Kamerabild
erzeugt. Um dies zu vermeiden, kann
man eine koaxiale Beleuchtung einsetzen, so dass ein gleich­mäßig ausgeleuchtetes Bild entsteht.
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Tunnelbeleuchtungen von Polytec gibt es
in Standardlängen von 119 bis zu 371 mm.
Darüber hinaus können die Beleuchtungen
in Größe, Objektivöffnung und Lichtfarbe
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kundenspezifisch angepasst werden.
Neben den Standardfarben rot und weiß
sind auch die Lichtfarben blau, grün, UV
und IR erhältlich.
Photonisches Sintern
Grundlagen des Sinterns
Unter Sintern versteht man eine Methode, pulverförmige Materialien unterhalb
deren typischem Schmelzpunkt zu einem
Festkörper zu „verbacken“. Photonisches
Sintern wird möglich durch die speziellen
Eigenschaften von Nanopartikeln, die eine
Größe zwischen 1 und 100 Nanometern
aufweisen. Typische Materialeigenschaften
wie Schmelzpunkt und Lichtabsorption
sind normalerweise größenunabhängig.
Liegen Materialien aber in Nanopartikelform vor, werden Quanteneffekte wirksam, die diese Eigenschaften verändern,
beispielsweise den Schmelzpunkt herabsetzen.
Leistungsfähig, flexibel und skalierbar
Photonisches Sintern
in Forschung und
Fertigung
Geregelter Luftstrom zur Kühlung
Bei den üblichen Sinterverfahren
kommen Sinteröfen, Lichtbogenentladungseinrichtungen und
Laser zum Einsatz, die die Nano­
partikel unter Einwirkung von
Hitze, Druck und Zeit sintern.
Das photonische Sintern hingegen
nutzt gepulstes Licht für diesen
Zweck. Wenn sich, wie oben geschildert, der Schmelzpunkt und die Lichtabsorptionseigenschaften des Materials
ändern, kann Lichtenergie den Sinterprozess bewirken – das „Zusammen­backen“
der Nanopartikel zu massivem Metall.
Nach dem erfolgreichen Sinterprozess
entsprechen die Eigenschaften denen
von „normalem“ Material.
Funktionsprinzip von Xenon-Blitzlampen
Das photonische Sintern wird durch Einsatz von Xenon-Blitzlampen (großes Bild)
ermöglicht. Im Betrieb lädt zunächst ein
Hochspannungsnetzteil einen Kondensator auf. Durch eine Triggerschaltung wird
an der Lampe ein hohes Potential angelegt, was zur Ionisierung der Gasfüllung
führt und einen leitenden Durchgang
schafft. Wenn der Stromkreis geschlossen
wird, entlädt sich der Kondensator, eine
Induktionsspule formt den Puls, der Strom
fließt durch die Lampe und erzeugt den
Blitz. Sobald der Kondensator entladen
ist, endet die Ionisierung und das Gas
wird wieder zum Isolator.
Die Pulsform kann durch Variation der
Anzahl an Kondensatoren und Induktionsspulen verändert werden, die Blitz­
energie wird über die Spannung geregelt.
Eigenschaften und Vorteile
Xenon-Blitzlampen sind für photonische
Sinterprozesse besonders geeignet. Durch
ihr breites Lichtspektrum wird in sehr
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Blitzlampe mit
maximaler Pulsenergie
Optischer Reflektor für
gleichmäßige Ausleuchtung
Kühlkörperfassung
für verlängerte
Lampen-Lebensdauer
kurzer Zeit viel Energie übertragen.
Im Vergleich zu Dauer­licht kann so er­heb­lich schneller gesintert werden, was
eine bessere Anpassung an die Takt­
zeiten in Prozessketten ermöglicht.
Zu den Tinten gehören Kupfer-, Silber-,
Zinn-, gold­basierte und Halbleiter-Tinten.
Auch die Substrate sind vielfältig: Papier,
Kunststofffolie und Metallsubstrate sind
üblich.
Der Sinterprozess geschieht berührungslos, die Blitzlampen sind relativ klein und
lassen sich leicht in Systeme integrieren.
Durch den geringen Temperatureintrag
können auch empfindliche Substrate wie
Papier oder Folie gut verarbeitet werden.
Selbst Rolle-zu-Rolle-Anwendungen mit
hohen Anforderungen an Prozessgeschwindigkeit, Synchronisation, Verfügbarkeit und konstante Ergebnisqualität
sind damit leichter zu realisieren. Das
breite Lichtspektrum der Lampen lässt
darüber hinaus den Einsatz sehr unterschiedlicher Tinten und Substrate zu, ohne
spezielle Bedingungen wie Vakuum oder
Schutzgasatmosphäre.
Fazit
Das photonische Sintern ist eine schnelle,
kompakte und preiswerte Alternative
zu Ofenlösungen. Es ist flexibel und
skalierbar einsetzbar, lässt sich leicht in
Prozessketten integrieren und ist mit
verschiedenen Tinten auch auf flexiblen
und temperatur­empfindlichen Träger­
materialien einsetzbar.
11
Für eine Vielzahl von Anwendungen bietet
Polytec eine Reihe von Sintersystemen
an, die auf Xenon-Blitzlampen basieren
– von der low-cost-Lösung über flexible
und leistungsstarke Systeme, passende
Lineartische, bis hin zu Rolle-zu-RolleSystemen.
Strahlungsmesstechnik/Bildverarbeitung
Prinzip und Praxis
SWIR-Kameras in der
Bildverarbeitung
Kurzwellige Infrarotaufnahmen (SWIR) übernehmen neben militärischen
Überwachungsfunktionen auch immer mehr Bildverarbeitungsaufgaben in
Produktion und Prozesskontrolle. SWIR-Kameras, auch NIR (Nah-Infrarot)-Kameras
genannt, können auch solche Objekte und Vorgänge sichtbar machen, die bei der
Verwendung von Kameras für sichtbares Licht (VIS-Kameras) oder für thermische
Aufnahmen (IR-Kameras) unsichtbar bleiben. Gegenüber den letzteren sind sie
kleiner, leichter und erheblich preisgünstiger.
Bild 1:
Kompakte aufgebaute
SWIR-Zeilenkamera
Vorteile von SWIR-Kameras
SWIR-Kameras (Bild 1) arbeiten ähnlich
wie Kameras für sichtbares Licht, nehmen
aber Strahlung im nahen Infrarotbereich
zwischen 900 und 1700 und neuerdings
auch bis 2600 Nanometer Wellen­länge
auf. Praktisch alle Objekte reflektieren
Strahlung in diesem Wellenlängenbereich,
auch bei Sternenlicht. Wenn kein natürliches
Licht vorhanden ist, können Objekte für
die Aufnahmen durch SWIR-Strahler be­leuchtet werden. Ein weiterer großer Vorteil
dieser Technologie besteht im Hinblick auf
die Objektive darin, dass einfaches Glas
12
transparent für SWIR-Strahlung, aber
undurchlässig für IR- oder thermische
Strahlung ist.
Detektoren in SWIR-Kameras funktionieren
genauso wie Silizium-Detektoren für den
sichtbaren Bereich (CMOS oder CCD)
oder IR-Kameras, basieren aber statt­
dessen auf Indium-Gallium-Arsenid
(InGaAs), Indiumantimonid (InSb) oder
Quecksilber-Cadmium-Tellurid (HgCdTe).
Von diesen drei Stoffen bietet nur InGaAs
eine gleichförmige Empfindlichkeit über
das gesamte SWIR-Band und kommt
darüber hinaus ohne Kühlung aus.
Die InGaAs-basierten SWIR-Kameras des
Polytec-Partners Sensors Unlimited Inc./
Goodrich sind äußerst robust aufgebaut
– ohne Blende, Kühlsystem oder andere
beweg­liche Teile. Durch Verwendung
hochwertiger Chips benötigen diese
Kameras nur eine TE-Stabilisierung ohne
Ventilatorkühlung und sind somit völlig
vibrationsfrei. In der Regel sind sie
während der gesamten Lebensdauer
wartungsfrei. InGaAs-Kameras kommen
mit einfachen Glasoptiken aus, anders
als thermische Kameras, die deutlich
teurere Silizium- oder GermaniumObjektive benötigen. Sie sind einfach
in der Anwendung und somit ähnlich
den Silizium-basierten CCD- oder CMOSKameras. Die nachfolgend beschrie­benen
typischen Anwendungen illustrieren die
Vielseitigkeit dieser Technologie.
Anwendungen in der Pharmazie
In der pharmazeutischen Produktion lässt
sich der Flüssigkeits-Füllstand in un­durch­
sichtigen Behältern und Leitungen mit
SWIR-basierten Bildverar­beitungs­systemen
überwachen. Hyperspektrale Spektroskopie­
systeme liefern in Echtzeit sogar chemische
Analysen der Produkte, die auf Bändern
oder durch Röhren bewegt werden.
Einsatz beim Kunststoff-Recycling
Auch beim Recycling von Kunststoff
(Bild 3) kommt die SWIR-basierte Spektroskopie zum Einsatz. Preisgünstige
Zeilenkameras mit Auflösungen von
1024 oder 512 Pixeln und Wellenlängen­
empfind­lichkeiten von 900 bis 2600 Nano­
metern werden auf Spektrografen montiert
eingesetzt. Sie identifizieren den Polymertyp von Plastikmüll auf dem Sortierband und ermög­lichen so eine Trennung
nach unterschiedlichen Kunststoffarten.
Landwirtschaft, Textilien
und Forstprodukte
Feuchtigkeit ist ein Schlüsselindikator
der Prozess- und Qualitätskontrolle in
Landwirtschaft, Textilproduktion und
Forstwirtschaft. Weil Wasser SWIR-Strah-
Bild 2: Waferproduktion
Bild 3: Kunststoffrecycling
lung absorbiert, kann eine Messung auf
Vorkommen oder Fehlen von Wasser
hilfreich für die Beurteilung der Ernte­
qualität, -reife oder Trockenheit des
Ernteguts sein (Bild 4). Diese Methode
kann auch Mängel wie Druckstellen unter
der Schale von Früchten erkennen, die
für das Auge un­sichtbar sind. Der Feuchtigkeitsgehalt ist weiterhin ein Indikator,
um anzuzeigen, wann gefärbte Stoffe
trocken genug für den nächsten Verarbei­
tungsschritt sind und ob der Färbegrad
für definierte Flächen korrekt ist. Bei
der Produktion von Faserplatten messen
online-SWIR-Systeme die Feuchtigkeit
von Spänen. Die Ergebnisse werden
genutzt, um nachfolgende Erwärmungsund Trocknungsschritte zu regulieren.
InGaAs-Kameras im Vergleich
zu Alternativen
InGaAs-SWIR-Kameras bieten eine Kombination aus Vorteilen, die thermische
und VIS-Kameras nicht bieten. In staubigen
und sandigen in­dustriellen Umgebungen
werden zum Beispiel die Kameraobjektive
nach und nach beschädigt und müssen
regelmäßig ersetzt werden. Hier ist es
wesentlich ökonomischer, Objektive aus
Glas statt aus Germanium oder Saphir
einzusetzen. Genau wie VIS-CCD- und
CMOS-Detektoren reagieren SWIR-Geräte
auf reflektiertes Licht und ermöglichen
damit die Gewinnung hochauflösender
Bilder. Dagegen haben IR-Kameras, die
nur ­auf Wärmestrahlung oder thermische
Unterschiede reagieren, eine deutlich
geringere Auflösung. InGaAs-Kameras
lassen sich genauso einfach bedienen
wie CCD- oder CMOS-Kameras, und da
sie ohne mechanischen Verschluss sowie
aufwendige Kühlsysteme aus­kommen,
sind sie auch gegenüber Vibrationen
relativ unempfindlich.
Untersuchung von Silizium-Wafern
InGaAs-Kameras enthalten Detektoren
aus unterschiedlichen InGaAs-Legierungen. Die Standard-Zusammensetzung
In53Ga47As ist in der Herstellung die einfachste und günstigste, und sie liefert das
beste Signal/Rausch-Verhältnis. Die Fähigkeit, durch Silizium hindurchsehen zu
können, ergibt den entscheidenden Vorteil bei der Halbleiterproduktion (Bild 2).
Speziell InGaAs-Zeilenkameras werden
dabei zur Defekterkennung im Rahmen
der Qualitätssicherung vermehrt eingesetzt.
Fortschritt:
größere Arrays, kleinere Gehäuse
SWIR-Kameras haben in jüngerer Ver­
gangenheit mit den größten Fortschritt
bei den bildgebenden Verfahren erzielt.
Linien-Arrays bis zu 1024 Pixeln in einem
25 Mikrometer-Abstand gewährleisten
hohe Auflösungen bei einem größeren
Aufnahmefeld als bisher.
Diese modernen Hightech-Kameras
können von Polytec zwischenzeitlich in
extrem kleinen Gehäusewürfelchen von
7,6 x 7,4 x 6,1 cm geliefert werden, was
die Einbindung in Prozessüberwachungsmaschinen deutlich erleichtert.
Bild 4: Maiskolben mit unterschiedlichem Feuchtegehalt in Normalansicht (links) und
im SWIR-Bereich (rechts). Helle Partien sind eher trocken, dunkle eher feucht
13
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Hyperspectral Imaging
Großes Potential für die Landwirtschaft
Multispektralsensoren
Bild 2: Spektralanalysen können aus der Luft
oder von stationären Sensoren aus erfolgen –
frei schwenkbar oder mit fester Blickrichtung
Bild 1:
Un­bemannte
Flugzeuge,
sogenannte UAVs
(unmanned aerial vehicles),
werden heute bereits für
die Agrar­erkundung
eingesetzt
Optical Farming und Agri-Photonics – neue
Begriffe, die eine spannende Entwicklung
umschreiben, die derzeit in der indus­
triellen Landwirtschaft Einzug hält. Bildgebende und zugleich spektroskopische
Technologien wie Hyperspectral Imaging,
Floureszenzspektroskopie oder LIDAR
werden in Feldversuchen und zunehmend
auch in der regulären landwirtschaftlichen
Produktion eingesetzt. Bei diesen Verfahren
werden Bilder aufgenommen, die den
sichtbaren Bereich des elektromagnetischen
Spektrums – also den der klassischen
Fotografie – mit benachbarten Wellenlängenbereichen des optischen Spektrums
kombinieren, vom Ultravioletten bis ins
Infrarote. Die Aufnahmen entstehen in der
Regel flächendeckend vom Flugzeug aus
(Bild 1), in Ausnahmen aber auch von
bodengestützten Beobachtungspunkten
(Bild 2). Dabei werden landwirtschaftliche
Nutzflächen, Waldregionen, Gewässer
oder andere Gebiete erfasst (Bild 3).
Die Einsatzmöglichkeiten sind
dabei sehr vielfältig: Von der Bestimmung des Proteingehalts in Weizen über
den Reifegrad von Trauben bis zur Wasser­
qualität in Fischgewässern oder der Schad­
stoffbestimmung in Gemüse reicht das
Spektrum. Auch Oberflächenfeuchtigkeit,
Verdunstung und Sickerwege von Wasser
durch den Boden lassen sich ermitteln.
Neben Ertragsvoraussagen, Ernteterminen,
Qualitätsbestimmungen und Schadstoffbelastungen lassen sich auch Vorhersagen
über Dürreschäden und Gegenmaßnahmen für Ernteverluste treffen.
Den so genannten Hyperspectral ImagingSensoren kommt in diesem Zusammenhang besonders große Bedeutung zu. Als
ideales Instrument für den luftgestützten
Einsatz hat sich das Micro-HyperspecTM
des US-amerikanischen Polytec-Partners
Headwall Photonics erwiesen. Dies ist ein
sehr kleiner, leichter und robuster Sensor,
der für raue Einsatzbedingungen in der
Luft- und Raumfahrt entwickelt wurde.
Bild 3: Baumkronen (links) werden auf Basis spektraler Indizes automatisch analysiert (Mitte links und rechts) und in einer interpolierten Karte (rechts) dargestellt. Diese wird nach
der Konzentration photosynthetischer Pigmente und der Baumkronendichte ermittelt
Bisher ist der
Sensor in
zwei Versionen verfügbar, für den VNIRBereich von 400 – 1000 Nano­metern und
den NIR-Bereich von 900 – 1700 Nanometern. Das Gerät zeichnet sich durch ein
telezentrisches, rein reflektives f/2-Design
und weitgehende Vermeidung von Aber­rationen aus. Hieraus ergeben sich heraus­
ragende Eigenschaften wie hohe Lichtstärke
und Abbildungsgenauigkeit, minimales
Streulicht und ein sehr hohes SignalRausch-Verhältnis.
Die Micro-HyperspecTM-Sensoren geben
dem engagierten Forscher, Agraringenieur
oder Landwirt ein Instrument in die Hand,
mit dem er die spektrale Signatur jedes
Objekts innerhalb des Beobachtungsfeldes
bestimmen kann. Nachfolgend können
die Ergebnisse mit bekannten Referenz­
sig­naturen aus eigenen, anwendungsspezi­
fischen Bibliotheken verglichen, die Szene
nach charakteristischen spektralen Markern oder Strukturen gescannt und die
Auswertungsergebnisse in FalschfarbenBildern anschaulich dargestellt werden.
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14
Spektroskopie
Typische Einsatzbereiche in Industrie, Pharma, Umwelt
Anwendungen mobiler Spektroskopie
Portable FTIR-, Raman- und UV/VIS/NIR-Spektrometer von Polytec bedienen hohe Ansprüche
an Mobilität und Flexibilität bei der spektralen Analytik sowohl in der industriellen Rohstoffgewinnung, Entwicklung und Produktionskontrolle als auch für vielseitige Aufgaben
in Wissenschaft und Forschung.
Raman-Spektrometer
Industrielle Analysen
– Analyse von Pharmaka
in Tabletten-, flüssiger
oder Gel-Form
– Endpunktbestimmung bei der Kristallisation
– Rohmaterialanalyse
– Qualitätskontrolle bei Warenein- und -ausgang
– Echtzeit-Polymerisationsüberwachung
FTIR-Spektrometer mit Probenträger
n Flüssigkeitsanalyse
n
n
Qualitätskontrolle flüssiger Rohmaterialien
nBestimmung
von
– Wasseranteilen in Öl
– Benzinanteilen in Diesel
– Biodieselanteilen in Diesel
n
Additivabbau in Turbinenöl
n Herkunftsbestimmung
Medizinische Diagnostik
– Erkennung von biomolekularen
Veränderungen (Gewebeheilung)
– Krebserkennung auf molekularem Niveau
n
von Pharma-Tabletten
Handheld-FTIR-Spektrometer
n Erkennung von Verunreinigungen auf Metalloberflächen
Lebensmittelanalyse
– Messung ungesättigter Fettsäuren in Speiseölen
– Inhaltsanalysen (Stärkegehalt bei Weizenkörnern)
n Thermische
n Analyse
n
von Schadstoffbelastungen
(Wasserbelastung mittels Surface Enhanced
Raman Spectroscopy SERS)
Beschädigungen von Composite-Materialien
n Bestimmung
von Gesteins- und
Mineralzusammensetzungen
n
n Analyse
von Drogen
(Identifikation, Reinheit, Qualität)
Analyse metallischer Beschichtungen
n Dickenmessung
von Epoxy-Primer
n
auf Aluminium
von Edelsteinen
und Mineralien
n Analyse
von Textilien, Farben und
Kunststoffen
n Dehnungs-
oder Biegungsmessungen
(Halbleitermaterialien)
n
UV-VIS-NIR/
SWIR-Spektrometer
n Vermessung von Lichtquellen
aller Art, auch Solarstrahlung
n Wellenlängenbestimmung,
z.B. bei Lasern, LEDs etc.
n Spektrale
n
Transmissions- und Reflexionsmessungen
Bildschirmvermessungen
n Farbmessungen
(Farbkoordinaten,
Farbtemperatur, Farbwiedergabeindex CRI)
n
Detaillierte Analyse von Sprengstoffen
n Identifikation
Materialidentifikation
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15
Raman-Mikroskopie
Spektroskopie
Bei der Analyse von Kunstobjekten
und in der Altertumsforschung wird
die FTIR-Spektroskopie schon seit
Jahren erfolgreich eingesetzt.
Anwendungen finden sich bei der
Untersuchung von Stoffen und
Textilien, in der Restauration von
Gebäuden oder in der Echtheits­
prüfung von Gemälden, Papieren,
Wandteppichen, Keramiken und
vielem mehr.
Mobile FTIR-Spektroskopie
Neue Möglichkeiten in der Analyse
für Kunst und Archäologie
Eine leistungsfähige Methode
jetzt auch mobil einsetzbar
Die Gründe für die zunehmende Beliebtheit der FTIR-Spektroskopie in Kunst und
Archäologie liegen in der Empfindlichkeit
und der Genauigkeit dieser Technologie.
Bild 1: Das Wandgemälde “Dr. J”
in Philadelphia, USA. Um das Werk und
viele andere in der Stadt zu schützen,
erforschen Konservatoren die Wirksamkeit
verschiedener Beschichtungen mit UVStabilisatoren und anderen Additiven
(Bildrechte: The City of Philadelphia Mural
Arts Project and Amanda NorbutusUniversity of Deleware Preservation
Studies Doctoral Program)
Bisher mussten die Proben zur Untersuchung ins Labor gebracht werden. Da
das nicht immer ohne Probenentnahme
und damit Beschädigung des Objekts
möglich ist, ist dies ein absolutes Aus­
schluss­kriterium, wenn man beispiels­
weise an archäolo­gische Artefakte,
Gebäudekunst wie Wandmalereien
(Bild 1) und Mosaike oder an wertvolle
antike Skulpturen denkt.
Der Vorteil der FTIR-Technologie kommt
daher erst durch zerstörungsfreie, mobile
Systeme, beispielsweise die Exoscan Spek­
trometer-Serie von Polytec (Titelbild), voll
zur Geltung. Die Analyse erfolgt damit
direkt vor Ort und mit mobilen Hand­
geräten auch an schwer zugänglichen
Stellen, zum Beispiel in Höhlen.
16
Die beiden nachfolgend beschriebenen
interessanten Anwendungen verdeutlichen
das breite Einsatzspektrum mobiler FTIRSpektrometer.
Untersuchung von bemaltem Holz
Ein Beispiel für Untersuchungen an his­to­
rischen Gebäuden ist der Chaotian Tempel
in Beigang, Taiwan. Hier wurden bei einer
Analyse des bemalten Holz-Portals (Bild 2)
im Infrarot-Spektrum wechselnde Mengen
an Oxalaten, Kalzium-Karbonaten und
Zellulose gefunden. Dies weist auf Befall
durch Pilze und Algen hin, die sich von
der alten Farbe ernähren und Säuren
ausscheiden, die wiederum die Farben
angreifen. Durch die Untersuchung der
kompletten Türen konnten sowohl befallene Stellen identifiziert als auch die
Zusammensetzung der alten Farben er­mittelt werden. Und dies ohne Probenentnahme und vollflächig für das ganze
Portal.
Brenntemperatur von Keramiken
Bei einer archäologischen Untersuchung
alter Töpferwaren, die auf den britischen
Orkney-Inseln gefunden wurden, wollten
Forscher herausfinden, ob und bei welcher
Temperatur die Tonwaren gebrannt
wurden. Dazu wurde Ton aus derselben
Region bei verschiedenen Temperaturen
zwischen 200 °C und 800 °C gebrannt
und die Spektren der Proben mit den
Funden verglichen. Deutliche Unterschiede
gebundener und freier OH-Gruppen
machten deutlich, dass die Artefakte
bei ca. 500 °C gebrannt wurden, und
ließen sogar Rückschlüsse auf die Art
des Feuers und des Brennstoffs zu.
Bild 1: Glacier™X
Spektrometer (links)
und Glacier™T RamanSpektrometer
Verschiebung der Grenzen
bei Spektrometeranwendungen
Leistungsstarke
Minispektrometer
Herausragende Merkmale von Spektrometermodulen sind entweder ihre kompakte Bauart, wenn als Detektoren ungekühlte
CCDs eingesetzt werden, oder ihre hohe Leistungsstärke, wenn
sie mit thermoelektrischer Kühlung ausgestattet sind.
Bei schwachen Signalen und den damit erforderlichen längeren Mess­
zeiten werden spektrometrische Messungen durch zunehmenden Dunkel­
strom eingeschränkt, der das Signal durch erhebliche Rauschanteile be­einträchtigt. Eine thermoelektrische Kühlung des Spektrometers verringert
den Dunkelstrom bei hoher Temperaturstabilität maßgeblich. Dies er-­
möglicht die Erfassung von schwachen Signalen durch ein, verglichen
mit ungekühlten Geräten, überlegenes Signal-Rausch-Verhältnis.
Für Anwendungen, die sowohl eine kompakte Bauform als auch hohe
Leistungsfähigkeit erfordern, mussten bislang bei der Produktwahl
Abstriche gemacht werden. Das GlacierTM Minispektrometer des USamerikanischen Herstellers B&WTek (Bild 1) vereint mit seinen kompakten
Maßen und einer thermoelektrischen Kühlung (Bild 2) beide Anforderungen und empfiehlt sich somit für Anwendungen, die bisher nicht
oder nur eingeschränkt realisierbar waren. Diese Anwendungen liegen
in der UV-, VIS- und NIR-Spektroskopie, -Spektroradiometrie und
-Spektralphotometrie sowie in der Langzeit-Prozessüberwachung.
Die Fluoreszenz- und Raman-Spektroskopie
gilt wegen der niedrigen Signalstärken
ebenfalls als ideales Anwendungsfeld.
Darüber hinaus sind OEM-Anwendungen,
bei denen maximale Leistungsfähigkeit
bei geringstmöglichem Platzbedarf
gefordert sind, ideale Einsatzgebiete für
dieses kostengünstige Minispektrometer.
Bild 2: Untersuchung
der Bemalung am Portal
des Chaotian Tempels
in Beigang
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Die Maße des Spektrometers liegen
mit 127 x 91 x 39 Millimetern in einer
Größen­ordnung, die bisher nur ungekühlten Geräten vorbehalten war.
Es ist sowohl in Standardversionen als
auch in einer Spezialversion für RamanAnwendungen verfügbar und kann für
ver­schiedene Spektralbereiche, beginnend bei 200 bis hin zu 1050 Nano­
metern, konfiguriert werden.
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17
Bild 2:
Dunkelstromvergleich beim
Glacier™ Spektrometer­
modul über 30 Sekunden:
Ungekühlte CCD-Sensoren
(Raumtemperatur, oben)
gegenüber gekühlten
(bei 14 °C, unten)
Spektroskopie
Innovativ, zuverlässig, schnell
Edelsteinanalyse
mit Raman-Spektroskopie
Raman-Spektrometer
in der Gemmologie
Als ein sehr nützliches Instrument wurde
vor etwa 25 Jahren die Raman-Spektroskopie in der Gemmologie, der Edelsteinkunde, eingeführt. Bislang wandte man zu
diesem Zweck die Raman-Spektroskopie
mit einem Mikroskop bei konfo­kaler
Strahlführung an. Bei 50-facher Vergrößerung können kleine Bereiche eines
Wirtkristalls oder dessen Einschlüsse an
und unter der Oberfläche analysiert
werden. Man identifiziert also in der
Regel entweder den Edelstein selbst,
eingeschlossene Gastminerale oder auch
organische Substanzen, die als Füllungen
in Risse eingedrungen oder eingebracht
worden sind. Die dazu verwendeten
Raman-Systeme sind recht teuer und
müssen fest auf einem erschütterungsfreien Labortisch installiert sein.
Das GemRam-System (Bild 2) ist ein
hochmodernes, transportables und
insbesondere preisgünstiges RamanSpektrometer. Es ist mit einem sehr
langlebigen roten Diodenlaser mit einer
Wellenlänge von 785 Nanometern ausgerüstet. Der Messkopf ist durch einen
Glasfaser-Lichtleiter mit dem Gerät verbunden. Dies erlaubt ein unproblema­
tisches Messen an Probenoberflächen,
die räumlich beliebig orientiert sein
können. Im Regelfall wird der Mess­
aufbau durch einen xyz-Probentisch
ergänzt, der das Objekt gezielt an
den Messkopf heranfährt.
Transportabel und preisgünstig
Einen enormen Verbesserungsschritt
bedeutet daher die Einführung eines
neuen Messsystems, das gemeinsam
von dem international renommierten
Edelstein­experten Prof. Dr. H.A. Hänni
aus der Schweiz, dem US-amerikanischen
Hersteller von Spektrometersystemen
B&WTek und Polytec entwickelt wurde.
Bild 1: Messergebnis
und Bibliotheksvergleich
bei einem Grossular
18
Umfassende Spektrenbibliothek
Bei der Messung werden die Daten an
einen Laptop übermittelt, der die Signale
verarbeitet und als Spektrum darstellt.
Die gemessenen Spektren in einem Mess­
bereich von 175 bis 2700 cm-1
können automatisch mit den
Daten einer Referenzbibliothek verglichen werden
(Bild 1). Diese umfassen­
de Spektrenbibliothek
bildet das Herz des
Systems und enthält
ca. 400 Vergleichsspektren
von Edelsteinen, die von
Prof. Dr. Hänni erstellt wurden.
Die Referenzspektren beschreiben das
zugrunde liegende Referenzmaterial und
zeigen auch ein Farbbild des Edelsteins,
der dabei gemessen wurde. Durch einen
Identifikations- und Verifikationsmodus
vereinfacht das Gerät die Bestimmung
von Edelsteinen erheblich und spart
damit Zeit und Ressourcen.
Vielfältig und schnell
Die Spektrensammlung enthält gängige,
aber auch seltene Mineralien von Amblygonit bis Zoisit. Aufgrund des fokussierten
Laserstrahls kann das GemRam-System auch
sehr kleine Proben messen. Dabei können
nicht nur geschliffene Steine, sondern
Die Bestimmung und Analyse von
Edelsteinen verlangt ein hohes Maß
an Fachwissen und Erfahrung.
Benötigt werden die Untersuchungs­
ergebnisse für die Bestimmung der Art,
der Echtheit, der Qualität, der Herkunft
und des Werts der begehrten Objekte.
Die Anwendungs­bereiche sind dabei
recht vielfältig. So werden Edelsteine
in gemmologischen Labors, in histo­
rischen oder naturgeschichtlichen
Museen, in Büros von Edelstein­
händlern, aber auch in Auktions-­
häusern analysiert.
auch unebene Oberflächen, wie bei Rohsteinen oder Kristallen, und darüber hinaus auch gefasste Steine analysiert werden.
Die Identifikation läuft in kürzester Zeit ab,
wobei stark Raman-aktive Materialien in
wenigen Sekunden identifiziert werden.
Autor
Prof. Dr. H.A. Hänni, FGA, ehem. Leiter
des Schweizerischen Gemmologischen
Instituts SSEF in Basel
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Weniger Ramanaktive Proben
werden in etwa
einer Minute analysiert.
Eine benutzerfreund­liche Software
zeigt das gemessene Spektrum,
wahlweise allein oder mit dem
passenden Referenzspektrum aus
der Bibliothek. Die Resultate können
in einem Messprotokoll verwaltet und
ausgedruckt werden. Ähnliche Referenzspektren werden ebenfalls in der Reihenfolge eines Übereinstimmungsindexes
aufgelistet.
19
Bild 2:
GemRamSystem
Halbleiter-Messtechnik
Dickenmessung von transparenten Schichten auf Leiterplatten
Spektroskopisches
Reflektometer
Das spektro­skopische
Reflektometer ST2080-OSP
Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten),
ist also geeignet für die Verwendung mit
bleifreien Loten. Typische Schichtdicken der
OSP-Beschichtung liegen in der Größenordnung von 0,1 bis 0,5 Mikrometern.
Eine optische Messung dieser Schichten
mit konventionellen Reflektometern ist
wegen der Oberflächenrauheit der KupferLeiterbahnen oft ungenau. Die Alternativen
– herkömmliche Reflektometer, ionenstrahl­
basierte Instrumente oder Analyse mittels
sequentieller elektrochemischer Reduktion
– sind entweder ungeeignet, teuer oder
sehr aufwändig in der An­wendung.
In der Qualitätskontrolle ist die berührungslose und zerstörungsfreie
Messung transparenter Schichten seit Jahren ein wichtiges Thema. Schichtdicken-Messsysteme finden Anwendung in der Halbleiterforschung und
-industrie, im Bereich der Display-Produktion oder bei der Messung von
Lackschichten unterschiedlicher Art und Zusammensetzung.
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Transparente Beschichtungen
und ihre Messung
Bei der Produktion von Leiterplatten in
mittleren und großen Stückzahlen kommt
häufig sogenanntes OSP (Organic Surface
Protection) als Oberflächenversiegelung
zum Einsatz. Diese transparente Beschich­
tung haftet auf der Kupferschicht der
Leiterbahnen und schützt diese einige
Monate vor Oxidation. Die Kupferschicht
bleibt somit lötfähig. OSP ist preiswert
und erfüllt die Anforderungen der europäischen RoHS-Direktiven (Richtlinie zur
Verwendung bestimmter gefährlicher
20
Neues, maßgeschneidertes spektro­
skopisches Reflektometer
Aus diesem Grund hat K-MAC, der
koreanische Partner von Polytec für die
Messung von Schichtdicken, seine spektroskopischen Reflektometer ergänzt um
ein weiteres System, das auf die Messung
der Schichtdicke und Morphologie von
OSP-Beschichtungen spezialisiert ist.
Das ST2080-OSP misst viele Mess-Spots
simultan und liefert als Ergebnis die
durchschnittliche Schichtdicke sowie ein
detailliertes 3D-Oberflächenprofil des
jeweiligen, 135 Nanometer großen
Messpunktes. Die Messung kann un­mittel­bar ohne Probenvorbereitung
durchgeführt werden. Darüber hinaus
ist das neu entwickelte System sehr
einfach in der Anwendung und eignet
sich deshalb besonders, um auch in
produktionsnahen Umgebungen die
OSP-Beschichtung zu überwachen.
Faseroptische Sensorik
Faser-Bragg-Sensoren
in der Praxis
In Windkraftanlagen werden faseroptische Sensoren
nicht nur zur Überwachung,
sondern auch zur Steuerung
eingesetzt, z.B. zur Rotorblattverstellung aufgrund
von Belastungsmessungen
der Blätter
Faser-Bragg-Gitter (im folgenden FBGs genannt) sind in vielen Anwendungen
FBG-Technik
Bei der Faser-Bragg-Technik werden
durch UV-Bestrahlung diskrete, optische
Reflektoren in eine Glasfaser eingeschrie­
ben, deren Wellenlänge auf Temperaturund Dehnungsänderungen reagiert.
Diese punktförmigen Sensoren können
in großer Anzahl entlang einer Faserstrecke positioniert werden, wobei
jeder Einzelsensor eine charakteristische
Basiswellenlänge erhält. Ein spezielles
Auslesesystem tastet alle Sensoren
op­tisch ab und berechnet aus der Wellen­
längenverschiebung Temperaturund Dehnungsänderungen mit einer
Genauigkeit von 0.1 °C bzw. 1 µstrain.
eine gute Wahl zur Messung mechanischer Größen oder Temperaturen.
­Insbesondere bei speziellen Umgebungsbedingungen oder bei einer großen
Anzahl von Sensoren spielen FBGs ihre Vorteile aus.
Vorteile faseroptischer Sensoren
Die FBG-Technik ist im Kern ein rein optisches Messverfahren, bei dem das Licht
die Glasfaser nie verlässt (siehe Kasten).
Hieraus resultieren besondere Vorteile
wie elektromagnetische Immunität, gute
chemische Beständigkeit, geringe Dimen­
sionen und Gewichte, große Reich­weiten
und Multiplex-Fähigkeiten, also Eigenschaften, die elektrische Sensoren nicht
oder nur eingeschränkt besitzen. FBGs
sind also nicht Ersatz für ihre elektrischen
Pendants, sondern häufig die einzige
Lösung für spezielle messtechnische
Aufgabenstellungen.
21
Praktisches Arbeiten mit FBGs
Allerdings ist das Arbeiten mit „nackten“,
also nicht für den beabsichtigten Anwendungszweck konfektionierten, FBGs für
den End­anwender oft nicht praktikabel.
Einige der wichtigsten anwendungs­
spezifischen Anpassungen betreffen die
Fixierung des Sensors am Messobjekt,
den mechanischen Schutz der Glasfaser
im Sensorbereich und in den Zuleitungen,
die Kompensation von Querempfindlichkeiten (beispiels­weise zur Unterscheidung
von Dehnung und Temperatur) sowie
Lösungen zur Erfassung nicht direkt
mess­barer Größen. >>> bitte umblättern
Faseroptische Sensorik
Bild 1: Sensoren
zum Kleben, Verschweißen,
Verschrauben und Vergießen
Bild 2: Versuchsanordnung von Dehnungssensoren an Eisenbahnschienen
Bild 3: Faseroptischer Temperatursensor
an einer Hochspannungsleitung
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www.polytec.de/fo-sensorik
Polytec bietet deshalb eine umfassende
Pa­lette fertig konfektionierter FBG-Sensoren
an, die die genannten Anforde­rungen für
eine Vielzahl von Anwendungen erfüllen.
Die Messgrößen, die derzeit erfasst werden können, sind Temperatur, Dehnung,
Beschleunigung und Neigung. Alle
­Sensortypen lassen sich sowohl einzeln
als auch in einer Messkette betreiben,
wobei sich Sensoren für unterschiedliche
­Parameter auch gemischt nutzen lassen.
Die einzelnen Sensoren werden durch ihre
charakteristische Wellenlänge auf jedem
Messkanal voneinander unterschieden. So
entstehen auf einfache Weise komplette
Sensornetzwerke, die mehrere Messgrößen
gleichzeitig erfassen.
Dehnungssensoren (Bild 1)
Für Dehnungsmessungen im Labor ist ein
Polyimid-basiertes Patch verfügbar, das
von seinem Handling einem klassischen
elektrischen Dehnungsmessstreifen (DMS)
entspricht. Das heißt, nach der Ober­
flächen­behandlung des Messobjekts wird
das Patch auf den Messpunkt geklebt
und überträgt so die Dehnungen des
Mess­objekts auf den eingebetteten FGBSensor. Für raue Umgebungsbedingungen,
insbesondere im Außenbereich, ist zusätzlich eine Karbonfaser-verstärkte Variante
erhältlich. Die Bilder 2 bis 5 zeigen einige
interessante Außenan­wendungen.
Für Einsätze, bei denen Kleben nicht mög­
lich ist, stehen Sensoren zum Aufschrauben
zur Verfügung, die aufgrund ihrer ausgedehnten Länge (10 oder 100 cm) integral
arbeiten. Für den Dauereinsatz beispielsweise in Betonbauteilen gibt es zudem
vergussfähige Ausführungen (Bild 5), die
direkt bei der Herstellung in das Bauteil
integriert werden können.
Um die prinzipiell in FBGs vorhandene
Querempfindlichkeit zwischen Temperatur und Dehnung zu unterdrücken, kann
man die Temperatur mit einem separaten
Temperatursensor in der Nähe des Mess­-
ortes erfassen, so dass der unbeabsichtigt
gemessene Temperatureffekt heraus­
gerechnet werden kann. Eine elegante
Alternative besteht in der Verwendung
von athermischen FBGs, bei denen der
Temperatureffekt durch den inneren Aufbau des Gesamtsensors kompensiert ist.
Für den Anwender agiert dieser Sensor
als reiner Dehnungssensor.
Der Messbereich der Dehnungssensoren
liegt zwischen 0 und 4000 µm/m bei
einer Auflösung von 1 µm/m.
Temperaturmessung
Durch ein geeignetes Gehäusedesign
kann ein FBG auch als reiner Temperatursensor konfiguriert werden, zum Beispiel
durch stressfreie Lagerung im Inneren
eines kompakten Gehäuses. Um die thermische und mechanische Anbindung
an das Messobjekt möglichst einfach zu
halten, sind eine Reihe unterschiedlicher
Gehäuseformen entwickelt worden. Neben
dem Universalgehäuse kann ein schweißbares oder ein vergussfähiges Gehäuse
genutzt werden. Der Temperaturbereich
reicht von –20 °C bis +80 °C für Standard­
sensoren und bis +150 °C für Hoch­
temperatursensoren.
Beschleunigungs- und Neigungsmessung
Wenn andere als die bisher betrachteten
mechanischen Größen mit einem FBG er­fasst werden sollen, muss die Messgröße
auf eine Dehnung beziehungsweise Stauchung der Faser zurückgeführt werden.
Dies geschieht durch einen mechanischen
Überträger, so dass man über einen entsprechenden Eichfaktor aus der Wellenlängen-Änderung des Bragg-Gitters die
Messgröße erhält. Polytec hat beispielsweise einachsige Beschleunigungs­auf­
nehmer im Programm, die Beschleunigungen bis ±40 G erfassen. Durch die
Verkettung von drei Sensoren können auf
diese Weise auch Messwerte in allen drei
Raumrichtungen aufgenommen werden.
Des weiteren sind Neigungssensoren erhältlich, die Neigungen bis zu 10 Grad mit
einer Genauigkeit von 0,01 Grad nachweisen. Diese hohe Sensi­bilität macht
den Sensor auch für Sicherheitsanwendungen interessant.
Bild 5: Vergussfähiges Dehnungssensor
vor dem Betonverguss in einer Brücke
Bild 4:
Installation
eines Dehnungssensors an der
Oberfläche
eines tragenden
Brückenteils
22
Laser
Femtosekundenlaser in der Praxis
Ultrakurze Laserpulse eröffnen
neue Methoden in Materialbearbeitung
und Medizintechnik
Die stetige Weiterentwicklung von Ultra-Kurzpuls-Lasern
ermöglicht eine immer größere Breite an An­­wendungen
in unterschiedlichsten Bereichen wie zum Beispiel der
Mikromaterialbearbeitung, der Medizintechnik, der
nichtlinearen Optik oder der Charakterisierung
neuer Materialien.
Faserbasierte Laser nehmen dabei mit
ihrer kompakten Bauweise eine besondere
Stellung ein. Sie erreichen zwar nicht
die kürzesten Pulsdauern, erlauben aber
einen äußerst zuverlässigen Dauerbetrieb
mit sehr stabilen Lichtpulsen im Bereich
von 100 bis 600 Femtosekunden.
Ein bedeutender Vorteil besteht darin,
dass langwierige Justagen oder sonstiges
Eingreifen durch den Anwender – wie
man es beispielsweise von Ti:Sa-Lasern
kennt – nicht erforderlich ist.
Mit der neusten Generation des CazaderoLasersystems ist es nun möglich, Femtosekunden-Pulse mit Pulsenergien bis zu
20 Mikrojoule hochstabil zu erzeugen.
Repetitionsraten bis in den Megahertz­
bereich und mittlere Ausgangsleistungen
von bis zu 4 Watt sind dabei erreichbar.
Der Cazadero-Laser ist aufgrund seiner
hohen Zuverlässigkeit und des wartungsfreien Betriebs eine perfekte Quelle für eine
Vielzahl von Anwendungen im mittleren
Leistungsbereich. So ist etwa die FemtoLasik im Bereich der Augenheilkunde
eine Anwendung, in der die Stärken des
Systems voll zum Tragen kommen.
Femto-Lasik – Augenkorrektur
ohne Messer
In der Materialbearbeitung unter­
scheiden sich Femtosekunden-Laser
fundamental von anderen Puls- oder
CW-Lasern. Bei Pulsdauern im Femto­
sekunden-Bereich erfolgt der Material­
abtrag nämlich nur in den unmittelbar
getroffenen Bereichen sehr hoher Licht­
intensität. Thermische Prozesse, die sich
bei längeren Pulsdauern auf die Nach­
barregionen ausdehnen und Material
abtragen könnten, finden nicht statt.
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23
Bild 1: Der Femtosekunden­laser erzeugt
durch fokussierte und extrem kurze Einwir­
kung Blasen in einer vorbestimmten Hornhaut­
tiefe. Diese bewirken eine Art Perforation,
um den Flap als dünne Schicht abtrennen
zu können
Bildwiedergabe mit freundlicher Genehmigung von Technolas Perfect Vision GmbH
Laser
Infolge dessen lassen sich mit einem
Femtosekundenlaser die Bereiche der
Materialabtragung viel genauer definieren
und somit sehr präzise Schnitte durchführen. Aufgrund der sehr hohen Spitzenintensitäten kann darüber hinaus über
nichtlineare Wechselwirkungen auch
transparentes Material bearbeitet werden.
Durch geeignete Fokussierung lässt sich
dies nicht nur an der Oberfläche, sondern
auch in der Tiefe des Materials erreichen.
Bei der konventionellen laserbasierten
Augenoperation (Lasik) wird eine
dünne Schicht der Hornhautoberfläche
(ca. 0,10 bis 0,16 Millimeter, was in
etwa der Stärke zweier Haare entspricht)
mit einem Hornhauthobel eingeschnitten
und weggeklappt. Der Hobel besteht
meist aus einem Saugring zur Positio­
nierung auf der Augen­oberfläche und
einem beweglichen Schneidekopf mit
oszillierender Klinge.
Femtosekunden-Laser sind damit ideal
für Anwendungen in der Augenheilkunde
zur Bearbeitung des Hornhautmaterials.
Beispielsweise hat sich in den letzen
­Jahren die Femto-Lasik, eine Weiter­
entwicklung der herkömmlichen Lasik,
als vollständig lasergestütztes Opera­
tionsverfahren zur Korrektur von Fehlsichtigkeiten etabliert.
Daraufhin wird mit einem Laser Hornhaut in dem Maße abgetragen, dass die
Fehlsichtigkeit des Auges korrigiert wird,
und danach die Hornhautlamelle (Flap)
mit ca. 9 Millimeter Durchmesser zurückgeklappt.
Bei der Femto-Lasik wird der Hornhauthobel durch einen Femtosekunden-Laser
ersetzt, der die Hornhaut mit winzigen
Blasen in vorgegebener Tiefe perforiert.
Entlang dieser Perforation wird die Hornhaut dann getrennt (Bild 1, S. 23). Durch
die ca. 100-fach höhere Genauigkeit der
Laserschnitte des Lasers im Vergleich zum
Hobel kann die Hornhautscheibe erheblich dünner sein (bis 0,08 Millimeter; entspricht der Stärke eines einzelnes Haares).
Die Dicke und der Durchmesser des Flaps
können für jeden Patienten individuell
eingestellt werden und die Perforation
heilt schneller aus als ein Schnitt. Schon
bisher ist die Lasik ein sicheres Verfahren
mit extrem seltenen Komplikationen, die
dann überwiegend auf den Flap-Schnitt
zurückzuführen sind. Die Femto-Lasik
sorgt hier für eine weitere Reduzierung
dieser ohnehin geringen Rate.
Kontakt · Mehr Info
Tel. +49 (0)7243 604-174
www.polytec.de/pulslaser
Neuer Polarisationswandler
„Donuts“ für optische Fallen
und konfokale Mikroskopie
Polarisationsoptiken bilden einen wichtigen Teil des Zubehörprogramms und
bieten oft die entscheidende Anpassung im Rahmen komplexer Laseranwendungen.
Der neu entwicklete Polarisationswandler
CON1064PC erzeugt – je nach Eingangs­
polarisation des Laserstrahls – eine radiale
oder azimutale Pola­risation (Bild 1).
Eingangspolarisation
Eingangspolarisation
Bei einer nachfolgenden Fokussierung
entsteht in der Brennebene ein ring­
förmiges Intensitätsprofil – ähnlich einem
„Donut“ – ideal für eine Reihe verschiedener innovativer Anwendungen wie
­beispielsweise in der FluoreszenzmikroAusgangspolarisation
skopie.
Ausgangspolarisation
Bild 1: Polarisationsänderung
Bild 2: Keil-Design
12 Segmente aus
Halbwellenplatten
mit anisotropen
12 Segmente Halbwellenplatten mit anisotropen opt. Achsen
opt. Achsen
Der Polarisationswandler wird mit
geringsten Fertigungstoleranzen aus
Halbwellenplatten geschnitten. Zwölf
30°-Keilsegmente werden hierfür hochpräzise kreisförmig mit jeweils um 15°
gedrehter Orientierung der optischen
Achse angeordnet (Bild 2).
12 Segmente Halbwellenplatten mit anisotropen opt. Achsen
24
Ein großer
Er­fahrungsschatz des
Herstellers CONOPTICS in Connecticut,
USA, verbunden mit innovativer Fertigungsund Montagetechnologie, gewährleistet
den sicheren Einsatz des Polarisationswandlers bei Laserleistungen bis über
190 Watt pro cm² und einer Wellenlänge
von 1064 Nanometern. Damit wird der
Polarisationswandler auch für Anwendungen in der Lasermaterialbearbeitung
interessant, wo eine radiale Polarisation –
im Vergleich mit zirkularer oder linearer
Polarisation – eine höhere Schnittgeschwindigkeit erlauben sollte.
Kontakt · Mehr Info
Tel. +49 (0)30 6392-5140
www.polytec.de/polarisator
Kundenservice/Dienstleistung
Vielseitiger Service
bei Polytec
Das Polytec-Serviceteam mit seinen erfahrenen Ingenieuren bildet die
Schnittstelle zwischen Anwendern und Herstellern. Dabei agieren sie
mit ihrer Erfahrung nicht selten als wertvolle Ratgeber bei Neu- oder
Weiterentwicklungen einerseits und als Problemlöser bei Anwendungsfragen andererseits. So vielfältig wie das Polytec-Produktspektrum sind
auch die Servicefälle in der Praxis. Zwei Beispiele geben einen kleinen
Einblick in die Bandbreite der Projekte.
Service-Übersicht
Service
n Anwendungsberatung
n Vermietungen & Leihstellungen
n Auftragsmessungen
n Kalibrierungen
n Wareneingangs- und Funktionskontrolle
aller Dritthersteller-Geräte
Reparaturen & Support
Reparaturen
n Vor-Ort-Service & Telefonsupport
n Installationen & Abnahmetests
n Ersatzteilbeschaffung
n
Schulungen & Trainings
Produkt- & Anwendungsschulungen
n Trainings & Seminare
n Vor Ort, in Polytec-Labors/-Schulungsräumen,
per Telefon oder Webkonferenz
n
HochgeschwindigkeitsAnalyse bei alternativer
Heilmethode
Im Bereich der alternativen Heilver­
fahren wird die Viametik als nervlichmuskuläre Impulstechnik in der Therapie von Wirbelsäule und Nervensystem
ein­gesetzt. Da bei dieser Behandlung
die Dauer, Beschleunigung und Ge­schwin­digkeit des Fingerdrucks auf
die Körper­stelle große Bedeutung hat,
sollte dieser Vorgang per Highspeedaufnahme dokumentiert und analysiert
werden. Dazu wurde ein Versuchsaufbau im Polytec-Labor installiert, bei
dem zwei synchronisierte Hoch­ge­
schwin­digkeitskameras aus verschiedenen Aufnahmewinkeln die Fingerdruckbewegung des Therapeuten auf
eine Kopfatrappe dokumentierten. Auf
den Ergebnisfilmen konnten nach der
softwarebasierten Analyse für den Thera­
peuten wertvolle Erkenntnisse über Druck­
dauer, Geschwindigkeit, Fingerposition
und -winkel und deren Auswirkungen
auf den Körperdruckpunkt gewonnen
werden, um so die Effektivi­tät der
Behandlungstechnik zu verbessern.
Benzin- & Reifenanalyse beim Porsche Carrera Cup
Im Rennsport können bereits minimale
Manipulationen an Reifen oder Treibstoff
Einfluss auf die Ergebnisse haben. Im Quali­
fying entscheiden Sekundenbruchteile in
den Rundenzeiten über die Startposition.
Die einfache Behandlung von Reifen mit
Bremsenreiniger, Motor-, Getriebeöl oder
Benzin kann spürbare Auswirkungen auf
die Gummimischung und damit auf die
Bodenhaftung haben. Kleine Mengen von
Additiven – in wenigen Sekunden dem
Kraftstoff beigemischt – können die Motor­
leistung entscheidend beeinflussen. Bisher
war eine wirksame Kontrolle kaum möglich,
da die Ergebnisse einzelner Stichproben
erst Tage oder Wochen später von externen
Labors vorlagen.
25
Polytec-Serviceingenieure haben in einem
erfolgreichen Feldversuch Messungen
beim Porsche Carrera Cup auf dem
Nürburgring durchgeführt und mittels
mobiler FTIR-Handspektrometer Reifen
und Treibstoffe analysiert. Vor Ort, ohne
Unterbrechung des Rennbetriebs, und
mit großem Erfolg. Damit wurde der
Weg für eine zukunftsweisende neu­artige Kontrolltechnik geebnet, welche
die Zu­kunft des Rennsports beeinflussen wird.
Kontakt · Mehr Info
Tel. +49 (0)7243 604-158
www.polytec.de/service
Produktübersicht
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2
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4
Polytec-Produktübersicht
1 Beleuchtungssysteme
5 Laser und Zubehör
Polytec bietet Beleuchtungssysteme für die industrielle
Bildverarbeitung, Analytik und zum Sintern/UV-Härten
von Lacken und elektronischen Schaltungen.
Mit über 40 Jahren Laser-Know-how ist Polytec
in der Lage, die passenden Laser für nahezu alle
Anwendungen zu liefern.
n
LED-Beleuchtungen
n
Dauerstrich- und Pulslaser
n
Stroboskope
n
Pockels-, Bragg- und Faraday-Zellen
n
Faseroptische Beleuchtungssysteme
n
Depolarisatoren
n
Xenon-Blitzlampen
n
Laser-Leistungs- und -Energie-Messgeräte, Korrelatoren
n
UV-Niederdruck-Lampen für die Analytik
2 Kameras, Objektive und Zubehör
6 Optische Strahlungsmessgeräte
und Komponenten
für individuelle und anspruchsvolle Aufgabenstellungen
im Bereich der industriellen Bildverarbeitung:
für die Messung und Auswertung von Intensität
und Spektralverteilung optischer Strahlung:
n
Kameras & Zubehör
n
Lichtmesstechnik
n
Objektive & Zubehör
n
Mini-Spektrometer für UV, VIS und NIR
n
Hochgeschwindigkeitskameras
n
Spektroradiometer/Farbmessgeräte
n
InGaAs Zeilen- und Flächenkameras
n
Laserstrahldiagnose
n
Hyperspektral-Imager
n
Detektoren für 200 nm – 40 µm
n
InGaAs-Kameras
3 Kamerasysteme und Software
Kamerasysteme beinhalten alle Komponenten
eines abgestimmten Bildverarbeitungsystems
wie Kamera, Auswertesoftware und Hardware.
n
Smartcam-Systeme
n
Vision Software
n
Multikamera-Vision-Systeme
7 Elektro-optische Testsysteme
Einzelkomponenten und Subsysteme sowie komplette
elektro-optische Test- und Simulationssysteme.
4 Spektrometer und Spektral-Imager
Messgeräte für die Analytik in Forschung und Industrie
für Prozess-, Labor- und Feldeinsatz.
8
n
NIR-Spektrometersysteme und OEM-Komponenten
n
Mini-Spektrometer und Module
n
Raman- und FTIR-Spektrometer
n
Hyperspektral-Imager
n
Spektralphotometer, Spektroradiometer
9
n
Schwarzkörperstrahler, Kollimatoren und Zubehör
n
F LIR-, CCD-, Laser-, Multisensor- und
Boresighting-Teststationen
n
IR-Signalsimulatoren und IRCM-Tester
n
Radiometer und Spektroradiometer
8 Optische Telekommunikation/
LWL-Messgeräte
Messgeräte und Komponenten für die optische Datenübertragungstechnik sowohl für Entwicklung, Qualitäts­
sicherung und Produktion, als auch für den Feldeinsatz
bei Installation und Wartung.
10
n
Messgeräte für Labor & Produktion
n
LWL-Messgeräte/Spleißgeräte für den Feldeinsatz
11
5
6
9 Faseroptische Sensorsysteme
7
13 Oberflächenmesssysteme
Ein- und mehrkanalige Sensorsysteme mit Messpunkten
am Faserende, Systeme mit kontinuierlicher Messpunktfolge entlang der Faser und mit diskret verteilten Messpunkten entlang der Faser. Gemessen werden:
n
Die von Polytec entwickelten Top-Map TopographieMesssysteme sind hochgenaue 3D-Profilometer
zur Vermessung von 3D-Profilen rauer, glatter und
­stufiger Oberflächen.
Temperatur
n Dehnung,
Neigungswinkel, Beschleunigung
und Schwingung
10 PV- und Halbleiter-Messgeräte
Komplexe Messtechnik im Bereich Photovoltaik
und Halbleiter:
n
Ebenheit und Parallelität
n
Formparameter
n
Oberflächenparameter
n
Höhen und Stufen
n
Volumina, Tribologie
14 Mikrosystem- & MEMS-Analyzer
n
Vier-Spitzen-Messsysteme
n
CV/IV-Messsysteme
n
Optische Schichtdickenmessgeräte
Die Produktlinie von mikroskop-basierten Analyse­
systemen ist ideal geeignet zur Messung der Dynamik
und Topographie von MEMS und Mikrosystemen.
n
Doppelbrechungsanalyse
n Scanning
n
InGaAs-Kameras
Vibrometrie zur Charakterisierung
von Out-of-Plane-Schwingungen
n Stroboskopische
Video-Mikroskopie für Messungen
von In-plane-Bewegungen und Schwingungen
11 Schwingungsmesssysteme
n Weißlicht-Interferometrie
zur Untersuchung der Oberflächenbeschaffenheit
Laservibrometer von Polytec sind weltweit anerkannter
Standard für berührungslose Schwingungsmessung.
n
Einpunkt-Vibrometer
n
Scanning-Vibrometer
n Spezial-Vibrometer
zur Messung von differentiellen
Schwingungen, Rotationsschwingungen u. v. m.
n
n
15 Dehnungs- und
Spannungsmess­systeme
Mit dem Polytec StrainProcessor und dem flächenhaft
und berührungslos messenden PSV-3D Scanning
Vibrometer steht ein leistungsfähiges Werkzeug zur
­Verfügung, um die Größe und die Ursache von
­dynamischen Spannungs- und Dehnungseffekten
zu bestimmen.
Mikroskop-basierte Vibrometersysteme
12 Längen- und GeschwindigkeitsSensoren
Polytec Laser Surface Velocimeter helfen bei der Über­
wachung von Bahnwaren im Produktionsprozess.
12
n
Zuschnittsteuerung, Stückgut-Längenmessung
n
Geschwindigkeitsmessung und -steuerung
n
Reckgradmessung, Massenflussregelung
n
Schlupfmessung und -kompensation
n
Messradkalibrierung
13
Geometrie-Datenerfassung
14
15
Messen und Events
Messen und Events
Datum
Messe
Ort
Polytec-Schwerpunkt
11. – 13.10.2011
Semicon Europa
Dresden
PV- und Halbleiter-Messgeräte
08. – 10.11.2011
VISION
Stuttgart
Bildverarbeitung
17. – 20.04.2012
analytica
München
Spektrometer
08. – 10.05.2012
The Vision Show
Boston, USA
Bildverarbeitung
08. – 11.05.2012
Control
Stuttgart
Bildverarbeitung
22. – 24.05.2012
SENSOR & TEST
Nürnberg
Optische Messsysteme,
faseroptische Sensorik
22. – 25.05.2012
OPTATEC
Frankfurt a.M.
Polytec-Produktprogramm
18. – 22.06.2012
ACHEMA
Frankfurt a.M.
Polytec-Produktprogramm
19. – 21.06.2012
LOPE-C
München
Photonisches Sintern,
PV- und Halbleiter-Messgeräte
16. – 20.09.2012
ECOC
Amsterdam,
Niederlande
Optische Telekommunikation,
faseroptische Sensorik
09. – 11.10.2012
Semicon Europa
Dresden
PV- und Halbleiter-Messgeräte
06. – 08.11.2012
VISION
Stuttgart
Bildverarbeitung
Änderungen der technischen Spezifikationen vorbehalten. PH_IF_73_2011_09_6000_D
Polytec InFocus – Magazin für
optische Mess­systeme und Sensoren
Neben der vorliegenden Polytec INFO erscheint zweimal jährlich
das InFocus-Magazin über Anwendungen optischer Messsysteme und
Sen­soren von Polytec. Hier finden Sie Neuigkeiten, Hintergrundwissen und
Applikationen aus der Welt der optischen Messtechnik für Schwingung,
Bewegung, Dehnung, Länge, Geschwindigkeit, Oberflächentopografie
und spektrale Analytik. Die Ausgabe 2/2012 erscheint im Oktober mit
dem Schwerpunkt „zerstörungsfreie Prüfung“. Gerne senden wir Ihnen
das InFocus-Magazin regelmäßig und kostenlos zu.
www.polytec.de/infocus
Polytec online interaktiv
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Impressum
Polytec INFO · Magazin für Photonische Technologien
Ausgabe 2011 – ISSN-Nummer 2191-3609
Copyright © Polytec GmbH, 2011
Herausgeber: Polytec GmbH
Polytec-Platz 1-7 · D-76337 Waldbronn
V.i.S.d.P.: Dr. Hans-Lothar Pasch
Redaktion:Dr. Alexander Huber, Jochen Grimm,
Dr. Arno Maurer
Produktion:Regelmann Kommunikation
Advancing Measurements by Light
www.polytec.de/news
Bildnachweise
S. 1, 3, 5, 6, 10, 12, 13, 18, 19, 21, 23, 24, 25: istockphoto.com;
S. 4, 5, 27: Tordivel AS; S. 6, 7: AOS Technologies AG; S. 9: Navitar Inc.;
S. 11: Xenon Corp.; S. 12, 13, 27: Sensors Unlimited Inc.; S. 14, 25:
dreamstime.com, Headwall Photonics Inc.; S. 15, 16, 17: Agilent
Technologies Inc.; S. 15, 17, 18, 19, 26: B&WTek Inc.; S. 16: City of
Philadelphia Mural Arts Program; S. 17: Wikimedia commons,
http://zh.wikipedia.org; S. 20: dreamstime.com, K-MAC; S. 22: FiberSensing S.A.; S. 23: Technolas Perfect Vision GmbH; S. 24: Conoptics
Inc.; S. 26: Allied Vision Technologies GmbH, Basler AG, Luna Innova­
tions Inc., Optocon AG, Four Dimensions Inc.; S. 27: CI Systems Ltd.
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