Optische Technologien

Licht, der Hidden Champion der Digitalisierung

Woran denkt Ihr bei den Schlagworten Industrie 4.0, Big Data oder Cyber Physical Systems? Wahrscheinlich nicht an Licht und optische Systeme, richtig? Dabei sind diese bei so mancher Anwendung die Schlüsselkomponente. Wir haben einige erleuchtende Beispiele für Euch zusammengetragen.

Vernetzte physikalische Objekte werden zukünftig im Fokus der Digitalisierung stehen. Dieser Trend drückt sich in Cyber Physical Systems, Industrie 4.0, Internet der Dinge und Big Data aus. Hier werden Informationen aus der physikalischen Welt erfasst, digitalisiert, übertragen und bewertet. Über digital gesteuerte Aktuatoren wirken die Ergebnisse auf die physikalische Welt zurück.Bild: Thomas Ernsting / LAIFoptische Technologien

Faszination Licht
Den optischen Technologien kommt dabei eine große Bedeutung zu, da diese direkt oder indirekt Teil der digitalen Prozesskette sind. Das liegt an den besonderen Eigenschaften von Licht:

Aufgrund seiner hohen Trägerfrequenz bei etwa 10^15 Hz stellt Licht eine sehr hohe Bandbreite für modulierte Information bereit. Im Klartext: Mit Licht werden technisch die höchsten Datenraten realisiert. Daher werden Glasfaserkabel auch für schnelle Internetverbindungen genutzt, und zukünftiges WLAN wird mit Terahertz-Wellen arbeiten. An LiFi, dem WLAN-Netz, bei dem Daten mit der Raumbeleuchtung übertragen werden, wird auch schon gearbeitet.

Licht mit geringsten Leistungen im Attowattbereich (10^-18 W) kann mit speziellen Empfängern noch detektiert werden. Die Informationsübertragung mit geringen Leistungen ermöglicht nicht nur eine energieeffiziente Datenübertragung, sondern manifestiert sich auch in unserem Alltag. Die brillanten, hochauflösenden Bilder unserer Smartphones, die in schlecht beleuchteten Räumen ohne Blitz entstehen, sind nur durch die hochempfindliche Detektion möglich.

Licht kann aber auch auf Lichtleistungsdichten von bis zu 10^20 W/m2 gebündelt werden. Alle Industrieanwendungen, die Laser zum Schweißen, Schneiden und Verschmelzen einsetzen, nutzen die hohen Leistungsdichten der Laserstrahlung.

Die Polarisation stellt nicht nur einen weiteren Informationsparameter dar, der zur Datenübertragung genutzt wird, sondern ermöglicht auch Erkenntnisse z. B. zur Werkstoffprüfung.

Durch kurze Wellenlängen, die für sichtbare Frequenzen im Bereich von einigen hundert Nanometern liegen, kann über abbildende Systeme eine hohe Ortsauflösung erreicht werden. Es ist kein Zufall, dass das informationsreichste Sinnesorgan des Menschen, das Auge, ein optisches System ist.

Licht – der Allrounder in der Messtechnik
Mit optischen Technologien werden hochempfindliche Sensoren und Messsysteme entwickelt, die berührungslos, zerstörungsfrei und im Fertigungstakt die Daten liefern, die virtuelle Systeme benötigen, um sich ein Bild von der tatsächlichen Lage an der Produktionslinie zu machen. „Sich ein Bild machen“ kann hier wörtlich gemeint sein, wie bei der industriellen Bildverarbeitung oder auch im übertragenen Sinne, wie bei der berührungslosen Temperaturmessung, der Strahlungsthermometrie. Mit Wärmebildkameras können defekte Bauteile auf Elektronikplatinen gefunden werden, wenn diese zu viel Strom verbrauchen und daher unerwartet heiß werden, oder wenn sie kalt bleiben, da gar kein Strom mehr dadurch fließt. Dieselbe Technik kann zur Überprüfung ganzer Industrieanlagen genutzt werden, wenn die Wärmebildkamera mit einer Drohne über das Einsatzgebiet geflogen wird.

Licht – die Datenautobahn
Mit Licht in Glasfaserdatenübertragungssystemen werden die höchsten Datenraten erreicht. Damit die Daten auf diese Datenübertragungsautobahn kommen, müssen elektronische Signale in Lichtsignale umgewandelt werden. Am Ende der Datenautobahn aus Lichtwellenleitern müssen die Lichtpulse wieder in elektronische Signale umgewandelt werden. Oft begrenzt dabei die Elektronik die Datenrate, und es werden raffinierte Techniken angewandt, um diese Limits zu umgehen. Daher ist es wünschenswert, Lichtsignale direkt zu verarbeiten, ohne sie zwischendurch in elektronische Signale umzuwandeln. Die Technologien dazu werden noch intensiv erforscht. Das Ziel für die Zukunft ist ein optischer Computer.

Im Normalfall werden heute die Bilder, die ein Bildverarbeitungssystem aufgenommen hat, überschrieben, nachdem diese verarbeitet wurden, und ein Sensorsignal, das beispielsweise einen Sortierer in der Qualitätskontrolle einer Produktionsanlage direkt ansteuert, wird nach der Ansteuerung der Sortierweiche nicht weiter ausgewertet. Dabei könnten diese Daten zusätzlich Hinweise darauf geben, dass sich ein Prozess schleichend verändert, und es könnte gegengesteuert werden, lange bevor Schlechtteile entstehen. So können optischen Sensoren das „Futter“ für Big Data liefern. Die Daten sind da, sie müssen „nur noch“ geeignet übertragen und verarbeitet werden.

Licht – das flexible Werkzeug
Die Individualisierung von Produkten ist ein wichtiger Teilaspekt von Industrie 4.0. Dazu sind flexible Fertigungskonzepte erforderlich. Diese lassen sich mit Fertigungs- und Bearbeitungsverfahren, die keine speziellen Werkzeuge oder Formen benötigen, besonders gut realisieren. Beispiele sind das Laserschneiden, das Laserschweißen und die additive Fertigung mittels Laser-Strahlschmelzen und Laser-Sintern. Die weitgehend digitale Prozesskette hat das Potenzial, individuelle Produkte zu realisieren, ohne die Fertigungsanlage mit speziellen Werkzeugen auszurüsten und ohne diese spezifisch zu programmieren oder manuell zu konfigurieren.

Erik MarquardtAnsprechpartner: Dr. Erik Marquardt
Aufgabe im VDI: Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik, Fachbereich Optische Technologien

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