SUCCESS STORY – Laserstrahlsteuerung bei Materialbearbeitung, Laser-Scanning-Mikroskopie und Ophthalmologie-- Steffen Arnold --Laserstrahlsteuerung bei Materialbearbeitung, Laser-ScanningMikroskopie und Ophthalmologie
Piezoelektrische Antriebskomponenten und ihre Möglichkeiten

Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, Auf der Römerstr. 1, 76228 Karlsruhe, Deutschland
Tel. +49 721 4846-0, Fax +49 721 4846-1019, E-Mail info@pi.de, www.pi.de

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Laser sind vielseitige Werkzeuge. In der Materialbearbeitungkann man heute genauso wenig auf sie verzichten wie bei
Operationen am Auge oder der Super-High-Resolution
Mikroskopie.
Dabei
haben
dieverschiedenen
Anwendungsbereiche durchaus Gemeinsamkeiten, denn
immer kommt es auf eine genaue Positionierung desLaserstrahlsan.
Gleichzeitig
verlangt
dieseLaserstrahlsteuerung und -fokussierung von den eingesetzten
Antriebssystemen aber auch Dynamik, Zuverlässigkeit undkompakte Abmessungen, um eine einfache Integration in dieAnwendung zu ermöglichen. Vor diesem Hintergrund
wundert es kaum, dass bei der Laserstrahlsteuerung
piezoelektrische
Antriebskomponenten
oft
ohne
ernstzunehmende Alternative sind.
Aktoren, die auf dem Piezoeffekt basieren, bewegen sich mit
Auflösungen im Sub-Nanometerbereich und Ansprechzeiten
unter einer Millisekunde, wodurch ein dynamischer Betrieb
mit Scanfrequenzen bis zu eintausend Hertz möglich ist. Da
die Bewegung auf kristallinen Festkörpereffekten beruht, gibt
es keine rotierende oder reibende Mechanik. Weil sie keine
im klassischen Sinn bewegten Teile haben, sind Piezoaktoren
wartungsfrei. So lassen sich Bewegungen im Sub-NanometerBereich mit hoher Geschwindigkeit realisieren.

Abb. 1

Die auf die jeweiligen Positioniersysteme abgestimmten,
analogen oder digitalen Controller ermöglichen zudem eineeinfache Integration in die jeweilige Applikation.
Ein wesentlicher Vorteil der Digitalcontroller ist dabei, dassauf alle Bewegungsparameter durch Rechenalgorithmengezielt Einfluss genommen werden kann. Dies steigert
Präzision und Dynamik bei gleichzeitig hohem Bedienkomfort.
Für die Laserstrahlsteuerung bieten piezoelektrische Antriebsund Positioniersysteme damit interessante Möglichkeiten,
zumal sich auch die fürs hochpräzise Positionieren
notwendige Sensorik im PI Programm findet.

Präzisionslösungen für die
Materialbearbeitung
Typische Anwendungen für die Materialbearbeitung per
Laserstrahl finden sich in der Elektronikfertigung, z. B. wenn
Schablonen hergestellt werden, mit deren Hilfe dann Platinen
mit Lötpaste beschichtet werden (Abb. 2).

Hochdynamische, piezogetriebene Kippplattform mit zwei
orthogonalen Achsen und optischen Ablenkwinkeln von bis zu
20 mrad. Bis zu vier Piezoaktoren sind direkt mit der bewegten
Plattform gekoppelt. Die Länge der Aktoren bestimmt den
Kippwinkelbereich, das System ist daher skalierbar (Bild: PI)

Piezoaktoren verbrauchen außerdem im statischen Betrieb
keine Energie, denn sie wirken elektrisch wie kapazitive
Lasten. Kein Wunder also, dass die kompakten piezobasierten
Positioniersysteme (Abb. 1) von Physik Instrumente (PI) heutein vielen Anwendungen zur Laserstrahlsteuerung das Mittel
der Wahl sind.

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Abb. 2PKF MicroLine series for professional laser processing of circuit
carriers and printed circuit board. (Bild: LPKF Laser &Electronics AG)

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Dabei sind die Anforderungen hoch, das Material muss sehrpräzise abgetragen werden bei genau definierten Kanten.
Ebenfalls obligatorisch sind hohe Durchsatzraten. Gängige
Ablenktechniken für den Laserstrahl, wie die meist auf dem
Induktionsprinzip basierenden Galvanometer-Scanner, sindfür solche Hochpräzisionsanwendungen zwar prinzipiell
geeignet, haben jedoch auch Nachteile. Um in zwei Achsen
positionieren zu können, müssen zwei Systeme
hintereinander geschaltet, also gestapelt werden. Dadurchergeben sich unterschiedliche Kipppunkte und der Platzbedarf
ist verhältnismäßig groß.
Piezogetriebene Kippplattformen oder Kippspiegelsysteme
sind hier die bessere Alternative, da sie nicht nur die
erforderliche Genauigkeit, sondern gleichzeitig auch hohe
Beschleunigungen und eine große dynamische Bandbreitebieten.

Bei Kippspiegelsystemen und piezobasierten ScanningPlattformen mit mehreren Bewegungsachsen sind die
Piezoantriebe in parallelkinematischen Positioniersystemen
eingesetzt (Abb. 3).
Diese Bauform hat gegenüber seriellen Systemen
verschiedene Vorteile: So gibt es nur eine bewegte Plattform
mit gemeinsamem Drehpunkt, die Dynamik ist höher und die
Baugröße kleiner. Außerdem können die Systeme eine höhere
Genauigkeit erreichen als dies durch Hintereinanderschalten
von zwei Einachssystemen – wie z. B. bei Galvanoscannernüblich – realisierbar ist. Integrierte hochauflösende
Positionssensoren sorgen für hohe Linearitätswerte vonbesser als 0,25 % über den vollen Stellbereich und für eine
Wiederholgenauigkeit von typischerweise 5 µrad, dasentspricht in etwa 0,3 Milligrad.

Laser-Scanning-Anwendungen inder Super-Resolution Mikroskopie

Abb. 3

Bei parallelkinematischen Systemen wirken alle Aktoren
unmittelbar auf die gleiche Plattform; Prinzipaufbau mit dreiAktoren (Bild: PI)

Abb. 4Laser-Scanning-Anwendungen in der Super-Resolution Mikroskopie (Bild: PI)

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Auch in der Laser-Scanning-Mikroskopie muss der Laserstrahl
zum Anregen von Fluoreszenzen in der Probe positioniert undfokussiert werden. Während bei konfokalen Verfahren
Galvanoscanner hinsichtlich ihrer Präzision in den meisten
Fällen sicherlich ausreichen, stößt man mit dieser Lösung imBereich der Super-Resolution-Mikroskopie schnell an deren
Grenzen (Abb. 4). Hier gelten höhere Anforderungen an dieGenauigkeit mit Auflösungen um die 10 nm, bei gleichzeitig
hoher Dynamik. Hier spielen piezogetriebene Kippspiegel(Abb. 1) und Plattformen wieder ihre Vorteile aus.

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Die S-334 Kippplattformen und Scanner (Abb. 5)
beispielsweise erlauben hochdynamische und präzise
Kippbewegungen der Deckplattform in zwei orthogonalen
Achsen mit einem gemeinsamen Drehpunkt.

Über seine interne Hardware kann eine
Koordinatentransformation durchgeführt werden, so dass die
Ansteuerung direkt proportional zum Ablenkwinkel möglich
ist.

Piezo-Ultraschallantriebe für die
Laserstrahlsteuerung

Abb. 5The piezo-driven tip/tilt platforms are available with tilting
angles of up to 3°, which are each offered with position sensors
for closed-loop operation or without sensors as fast scanners(Bild: PI)

Die reibungsfreien Piezoantriebe und Festkörperführungenermöglichen höhere Beschleunigungen als konventionelle
Antriebe, und bieten dabei in Positionsregelung
Scanfrequenzen von über 100 Hz über Kippwinkelbereichevon bis zu 3°. Mit dem E-616 steht ein eigens für
Piezokippspiegel entwickelter Controller zur Verfügung, derdie Funktionen eines mehrkanaligen Reglers und Verstärkers
vereint.

Abb. 6Präzise Laserstrahlsteuerung und -fokussierung ist auch in derMedizintechnik ein wichtiges Thema. So lassen sichbeispielsweise Fehlsichtigkeiten am Auge dank refraktiver
Operationstechniken bis in hohe Dioptrienbereicheausgleichen. Dazu wird die Hornhautform in der Sehachse
durch Entfernen von Hornhautpartikelchen mit Hilfe vonLaserstrahlen so modelliert, dass die resultierende Brechkraft
der Hornhaut (Epithel) wieder zur Länge des Augapfels passt(Abb. 6). Auch hier finden die bereits beschriebenen
Kippspiegelsysteme ein breitgefächertes Anwendungsgebiet.
Ebenfalls
interessanteMöglichkeiten
fürdieLaserstrahlsteuerung erschließen die keramischen PILine®
Ultraschallmotoren. Sie zeichnen sich durch extrem hohe
Geschwindigkeiten und Beschleunigung bei gleichzeitig sehr
kompakten
Abmessungenaus.
Das
patentierte
Antriebsprinzip (Abb. 7) macht sie im Ruhezustandselbsthemmend. Linearmotoren und Antriebe sind zur
Integration in ein Kundensystem vorgesehen und imAllgemeinenungeführt.
Es
gibt
jedochauch
Komplettlösungen, die sich einbaufertig in viele Applikationen
integrieren lassen.

Um Fehlsichtigkeiten am Auge auszugleichen wird die Hornhautform in der Sehachse durch Entfernen von Hornhautpartikelchen mit Hilfe vonLaserstrahlen so modelliert, dass die resultierende Brechkraft der Hornhaut (Epithel) wieder zur Länge des Augapfels passt (Bild: PI)

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Abb. 7

Patentiertes Funktionsprinzip der PILine-Aktoren: Schwingungenmit Ultraschallfrequenzen eines piezokeramischen Aktuators
werden entlang einer Reibschiene in lineare Bewegungumgewandelt und treiben so den beweglichen Teil eines
mechanischen Aufbaus an (Bild: PI)

Der Präzisions-Mikrolineartisch M-663 (Abb. 8), der sich bei
Bedarf auch für XY-Kombinationen eignet, liefert ein gutes
Beispiel dafür. Er bietet Geschwindigkeiten von bis zu
400 mm/s und Stellwege bis 19 mm bei Auflösungen bis zu
0,1 µm.

In den letzten vier Jahrzehnten hat sich Physik Instrumente(PI) mit Stammsitz in Karlsruhe zum führenden Hersteller vonPositioniersystemen mit Genauigkeiten im Nanometerbereich
entwickelt. Das privat geführte Unternehmen ist mit vier
Sitzen in Deutschland und fünfzehn ausländischen Vertriebsund Serviceniederlassungen international vertreten.
Über 850 hochqualifizierte Mitarbeiter rund um die Weltversetzen die PI Gruppe in die Lage, fast jede Anforderung ausdem Bereich innovativer Präzisionspositioniertechnik zu
erfüllen. Alle Schlüsseltechnologien werden im eigenen Haus
entwickelt. Dadurch kann jede Phase vom Design bis hin zur
Auslieferung kontrolliert werden: die Präzisionsmechanik undElektronik ebenso wie die Positionssensorik.
Die dafür benötigten piezokeramischen Elemente werden bei
der Tochterfirma PI Ceramic in Lederhose gefertigt, einem derweltweit führenden Unternehmen auf dem Gebiet
aktorischer und sensorischer Piezoprodukte.
Die PI miCos GmbH in Eschbach bei Freiburg ist spezialisiert
auf flexible Positioniersysteme für UltrahochvakuumAnwendungen sowie parallelkinematische Positioniersysteme
mit sechs Freiheitsgraden und Sonderanfertigungen.

AutorenAbb. 8PILine® micropositioning stage with linear encoder for direct
position evaluation (Bild: PI)

Mit 15 mm Höhe, 30 mm Breite und 35 mm Länge baut derMikrostelltisch sehr kompakt, lässt sich also gut in die
jeweilige Anwendung integrieren. Dazu trägt sicherlich auchbei, dass der gleiche Hersteller auch die passende
Treiberelektroniken und Controller anbietet, die perfekt aufden Mikrolineartisch abgestimmt sind.
Für Laserstrahlsteuerung und -fokussierung erschließen sichdurch solche Positionierlösungen interessante Möglichkeiten,von denen man heute in allen Bereichen profitieren kann, indenen die Laserbearbeitung Einzug hält.

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Dipl.-Phys. Steffen Arnold, Leiter „Markt und Produkte“ beiPhysik Instrumente (PI) GmbH & Co. KGEllen-Christine Reiff, M.A., Redaktionsbüro Stutensee

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