Einführung

Diese Einführung erklärt die Konstruktion optomechanischer Komponenten und soll dem Anwender als Hilfestellung bei der Auswahl der für seine Anforderungen optimalen Bauteile dienen. Dabei stehen praktische Überlegungen im Vordergrund.

Leistungsparameter

Es gibt viele unterschiedliche Methoden, um die Leistungsfähigkeit eines Bauteils zu bewerten. Das Verständnis der Definitionen und der Auswirkungen der Parameter hilft bei der Auswahl der richtigen Komponenten.

Material und Stabilität

Die meisten optomechanischen Komponenten werden aus Aluminium, Messing oder Edelstahl gefertigt. Deshalb werden diese Materialien auf der folgenden Seite hinsichtlich ihrer Eigenschaften detailliert besprochen.
Materialien werden oftmals aufgrund einer einzigen Eigenschaft - beispielsweise wegen eines niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten - ausgewählt. Dies ist nicht immer der richtige Ansatz, da auf diese Weise eine allgemein hohe Leistungsfähigkeit nicht gewährleistet ist. Um dies zu erreichen, müssen alle relevanten Materialeigenschaften berücksichtigt werden.

Elastizität

Der Elastizitätsmodul E ist ein Stoffwert fester Körper. Bei veränderlicher Belastung ist er der Quotient aus der eintretenden Änderung der elastischen Spannung ds und der Dehnung de: E = ds/de. Ein Material ist umso steifer, je höher der Wert für E ist. Der Elastizitätsmodul von Edelstahl ist etwa dreimal so groß wie der von Aluminium und etwa doppelt so groß wie der von Messing (siehe Tabelle). Dabei ist zu berücksichtigen, dass die spezifische Elastizität (Elastizität geteilt durch Materialdichte) wichtiger ist, wenn die Widerstandsfähigkeit gegenüber Schwingungen im Vordergrund steht. Komponenten der gleichen spezifischen Elastizität besitzen die gleichen Eigenfrequenzen. Eine höhere spezifische Elastizität ergibt eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber Schwingungen, d.h. höhere Resonanzfrequenzen, kürzere Rückstellzeiten und eine Reduzierung der Störungen.

Thermische Ausdehnung

Temperaturänderungen verursachen Größen- und Formänderungen von Komponenten. Der Betrag dieser Änderung hängt von der Größe des Bauteils, der Temperaturänderung und dem verwendeten Material ab. Für die Beziehung zwischen Form- und Temperaturänderung gilt DL = aLDT. Hierbei steht a für den materialabhängigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Die thermische Ausdehnung von Edelstahl ist etwa halb so groß wie die von Aluminium. Dies ist beispielsweise dann von Bedeutung, wenn Komponenten zur Montage von Optiken eingesetzt werden, die eine besonders gute Langzeitstabilität benötigen. Aluminium hingegen ist die beste Wahl, wenn die Temperaturänderungen über das Bauteil ungleichmäßig sind, wie beispielsweise bei der Montage eines Diodenlasers. Da der Diodenlaser wärmer als seine Umgebung ist, wird seine Wärme durch den Halter verteilt, wodurch ein Temperaturgradient entlang des Halters entsteht. Die thermische Leitfähigkeit von Aluminium ist viermal höher als die von Edelstahl, so dass die Wärme viel schneller abgeführt werden kann. Dadurch verringert sich der Temperaturgradient und die Verwindung. Die durch ungleichförmige Temperaturänderungen verursachte Verwindung ist proportional zum thermischen Ausdehnungskoeffizienten geteilt durch die thermische Leitfähigkeit. Daraus ergibt sich, dass bei der Verwendung von Aluminium bei ungleichförmigen Temperaturbedingungen zweimal weniger Verwindung entsteht. Messing besitzt einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie Aluminium, jedoch ist die thermische Leitfähigkeit nur halb so groß. Deshalb ist Aluminium in dieser Situation die beste Wahl.
Unterscheidet sich die Betriebstemperatur eines Bauteils sehr von der Raumtemperatur, so muss man bei Bauteilen, die aus mehreren Materialien bestehen, besonders vorsichtig sein. Bestehen beispielsweise bei einem Linearmesstisch der Schlitten aus Aluminium und die Führungen aus Edelstahl, dehnen sich die Materialien bei Temperaturänderung unterschiedlich stark aus. Dadurch kann die Vorspannung des Schlittens beeinträchtigt werden oder der Schlitten kann sich aufgrund von Spannungen verziehen.

Instabilität des Materials

Die Instabilität eines Materials beschreibt die Änderung der physischen Abmessungen über die Zeit und wird auch als kalter Fluss oder Kriechen bezeichnet. Bei Aluminium, Messing oder Edelstahl dauert es Monate oder sogar Jahre, bis eine solche Veränderung zu sehen ist.
In den meisten Fällen trägt die mechanische Konstruktion eines Bauteils wesentlich mehr zur Instabilität bei als das verwendete Grundmaterial: Beispielsweise kann das Schmiermittel im Gewinde einer Mikrometerschraube im Laufe der Zeit kriechen, wodurch sich die Schraube leicht verschiebt. Ein anderes Beispiel sind die Kugeln in der Führung eines Messtisches: Sind diese nicht genügend gehärtet, so kann bei diesem Tisch eine Positionsabweichung auftreten, wenn er lange Zeit nicht benutzt und die Kugeln an ihren Kontaktpunkten durch eine unsachgemäß eingestellte Vorspannung eingedrückt werden.

Material

Jedes für mechanische Komponenten eingesetzte Material besitzt seine eigenen Vorzüge und Nachteile. Bedauerlicherweise existiert kein universell einsetzbarer Werkstoff, der alle Anforderungen gleichermaßen erfüllt. Nachfolgend werden die Eigenschaften der in der Tabelle beschriebenen Materialien zusammengefasst.
Aluminium: Aluminium besitzt eine geringe Dichte und ist widerstandsfähig gegen Kaltfluss. Es besitzt eine gute spezifische Elastizität und hat zwar einen relativ hohen Ausdehnungskoeffizienten, aber auch eine gute Wärmeleitfähigkeit. Deshalb eignet sich Aluminium besonders gut für Anwendungen mit thermischen Gradienten oder Anwendungen, bei denen eine schnelle Anpassung an die Temperatur erforderlich ist. Aluminium lässt sich schnell bearbeiten, und das Rohmaterial ist preisgünstig. Deshalb wird Aluminium häufig für optomechanische Bauteile eingesetzt. Aluminium rostet nicht, und selbst bei unbehandelter Oberfläche gibt es in normaler Laborumgebung keine Korrosion. Eine besonders widerstandsfähige Oberfläche weist Aluminium im eloxierten Zustand auf. Jedoch sind eloxierte Oberflächen porös und daher ungeeignet für den Vakuumeinsatz. Hier verwendet man unbearbeitete oder vernickelte Aluminiumoberflächen. Eine weitere Eigenschaft von Aluminium ist, dass es nicht magnetisierbar ist.
Edelstahl: Edelstahl besitzt einen hohen Elastizitätsmodul und zeichnet sich durch seine hohe Steifheit aus (etwa dreimal so hoch wie von Aluminium). Die thermische Ausdehnung ist nur halb so groß wie bei Aluminium. Aus diesem Grund eignet sich Edelstahl besonders gut für Labore mit gleichförmigen Temperaturänderungen. Die Bearbeitung von Stahl ist weitaus aufwendiger als bei Aluminium, so dass Komponenten aus Edelstahl teurer als Aluminiumbauteile sind. Zudem ist die Korrosion von Stahl ein wichtiger Gesichtspunkt. Rostfreie Stahllegierungen vermeiden solche Probleme und können problemlos im Vakuum eingesetzt werden; dabei sind allerdings noch weitere Punkte zu berücksichtigen (siehe Vakuumtauglichkeit).
Messing: Messing ist ein schweres Material mit einer höheren Dichte als Stahl. Es lässt sich zwar gut bearbeiten, besitzt jedoch ein schlechteres Verhältnis von Steifheit zu Dichte als Stahl oder Aluminium. Der thermische Ausdehnungskoeffizient ist ähnlich wie bei Aluminium; die Wärmeleitfähigkeit hingegen ist nur halb so groß. Haupteinsatzzweck von Messing ist die Verminderung der Abnutzung. Es wird oft als Trennmaterial eingesetzt, um das Blockieren zwischen Schrauben und Gleitflächen aus Stahl oder Edelstahl zu verhindern. Des weiteren wird es in einigen hochpräzisen Anwendungen eingesetzt, die eine besonders hohe Widerstandsfähigkeit gegen Kaltfluss erfordern. Messing lässt sich mit Diamant polieren und schleifen, um besonders glatte Oberflächen zu erreichen.

Oberflächenbehandlung

Eine hervorragende Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion und eine gute Oberfläche bietet eloxiertes Aluminium. Für optomechanische Komponenten werden schwarze Oberflächen bevorzugt. Da die eloxierten Oberflächen jedoch porös sind, eignen sich diese Komponenten nicht für den Einsatz im Vakuum. Andererseits resultiert aus dieser Porosität eine matte Oberfläche, die fast kein Licht reflektiert. Zudem härtet das Eloxieren die Oberflächen, was die Widerstandsfähigkeit gegen Kratzer erhöht und die Abnutzung verringert.
Stahlkomponenten werden gewöhnlich beschichtet oder lackiert. Die Beschichtungen bestehen meist aus Chrom, Nickel, Rhodium oder Cadmium. Für Schrauben und Montageteile wird häufig ein schwarzes Oxidfinish eingesetzt, um die Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen. Bei lackierten Komponenten ist zu beachten, dass die Farbe abblättern und dadurch Optiken und Führungen von Messtischen verunreinigen kann.
Legierungen aus rostfreiem Stahl vermeiden Korrosion. Sie sind hochreine Materialien, die keinen speziellen Oberflächenschutz erfordern. Mit Sandstrahl bearbeitete Oberflächen besitzen ein mattes Finish, das diffus reflektiert.
Für den Einsatz im Optiklabor wird Messing häufig schwarz gebeizt. Um die Beständigkeit der Oberfläche zu verbessern, kann es mit Chrom oder Nickel beschichtet werden.

Vakuumtauglichkeit

Zahlreiche der in diesem Katalog angebotenen Produkte können in einer vakuumkompatiblen Version geliefert werden. Die entsprechenden Hinweise dazu finden Sie bei den Produktbeschreibungen. “Vakuumkompatible” Produkte sind für 10^-6 Torr präpariert. Bei Produkten, welche nicht ausdrücklich in einer vakuumkompatiblen Version angeboten werden, kann möglicherweise trotzdem eine entsprechende Präparation vorgenommen werden. Bitte sprechen Sie unsere Verkaufsingenieure direkt an, um über Ihre Anforderungen zu sprechen.

Vakuumpräparation

Die Präparation für eine Vakuumumgebung hängt in erster Linie von der Güte des Vakuums ab, welches erreicht werden soll. Akzeptable Niveaus von Ausgasen, Massenverlust und Kondensation können je nach Anwendung, Pumpkapazität, Temperatur, usw. variieren. Aus diesem Grund ist es wichtig, die genauen Anforderungen zu kennen und zu verstehen.
Bis 10^-3 Torr Vakuumumgebung: Generell erfordert ein Vakuum von 10^-3 Torr nur geringfügige Veränderungen an unseren Produkten. Vor allem sind Schmierstoffe betroffen, welche ersetzt werden müssen. Andererseits ist es nicht ungewöhnlich, dass eloxierte Teile oder in begrenztem Umfang auch Kunststoffe eingesetzt werden können.
Bis 10^-6 Torr Vakuumumgebung: Produkte, welche bei 10^-6 Torr verwendet werden, benötigen eine spezielle Vorbereitung. Viele der Materialien, die in Standardanwendungen eingesetzt werden, gasen im Hochvakuum aus. Dadurch wird die Erhaltung und Erreichbarkeit des Vakuums eingeschränkt. Poröse, eloxierte Aluminiumoberflächen beispielsweise bergen zahlreiche Luftmoleküle, was zu einer beträchtlichen Ausgasrate führt. Die in diesem Katalog als “vakuumtauglich” bezeichneten Produkte werden aus diesem Grund auf folgende Weise präpariert:

• Die Produkte werden nur aus nicht eloxiertem Aluminium, Edelstahl oder entsprechenden Materialien gefertigt.
• Kunststoffknöpfe und -bedienteile werden entweder entfernt oder durch hochvakuumtaugliche Materialien wie Stahl oder Spezialkunststoff ersetzt. In einigen Fällen können die Kunststoffe auch beibehalten werden, um die zusätzlichen Kosten für die Änderungen zu sparen. Trotz der Eigenschaft des Ausgasens von Kunststoff wird dieser teilweise im Vakuum aufgrund seiner isolierenden Eigenschaften und seines günstigen Preises eingesetzt.
• Sackbohrungen werden für den Vakuumeinsatz aufgebohrt oder auf andere Weise für einen erhöhten Luftstrom zugänglich gemacht.
• Bauteile und Schmiermittel werden durch vakuumtaugliche Stoffe ersetzt.
• Fertige Produkte werden gereinigt und in abgedichtetem Verpackungsmaterial versandt.

Weitergehende Maßnahmen und eine Vorbereitung für ein Vakuum oberhalb von 10^-6 Torr erfordern ein spezielles Vorgehen, wie z.B. das Ausheizen im Vakuum. Wenden Sie sich bitte in diesem Fall an unsere Ingenieure, um über mögliche Optionen zu sprechen.

Optikhalter

Kinematische Halter

Bei einem Optikhalter lässt sich die Position in Form von sechs voneinander unabhängigen Koordinaten angeben: Drei Translations- und drei Rotationskoordinaten. Ein Optikhalter wird dann kinematisch genannt, wenn die Anzahl der Freiheitsgrade (Achsen freier Bewegung) und die Anzahl der Beschränkungen, die an diesem Halter wirken, identisch ist.
Am weitesten verbreitet ist der Typ “Kegel, Nut und Ebene”, wie in Abb. 1 dargestellt. Die Darstellung ist so zu verstehen, dass die Optik im Koordinatensystem der drei Kugeln untergebracht ist und der feststehende Teil des Halters durch die Ebene aus Kegel, Nut und Platte bestimmt wird. Wird die Optik zunächst in den Kegel eingesetzt, werden dadurch die drei Freiheitsgrade der Translation (Verschiebungen in X-,Y- und Z-Achse) ohne Redundanz eliminiert.
An diesem Punkt kann die Optik noch um alle drei Achsen frei rotieren. Nun wird die zweite Kugel in die Nut eingesetzt, die zum Kegel zeigt. Dadurch werden zwei weitere Freiheitsgrade beseitigt, nämlich Neigen und Gieren (s. Abb.2). Die Ausrichtung der Nut zum Kegel ist wichtig, um die Freiheitsgrade nicht übermäßig einzuschränken. Zuletzt bleibt nur ein Freiheitsgrad übrig: Rollen über die X-Achse. Hierfür wird die dritte Kugel auf eine Ebene gesetzt. Sechs nicht-redundante Beschränkungen bilden auf diese Weise den kinematischen Halter.
Vorzüge von kinematischen Haltern sind ihre gute Stabilität, eine verspannungsfreie Halterung der Optik und eine wiederholgenaue Positionierung. Aus Abbildung 1 wird deutlich, dass die thermische Ausdehnung des Teils mit Kegel, Nut und Ebene von der Ausdehnung der Optik abweichen kann, ohne dass hierdurch Spannungen oder Verzerrungen hervorgerufen würden. Der Optikhalter dehnt sich um den Kegel herum und kann über die Kugeln in Nut und Ebene gleiten. Wäre dagegen der Optikhalter nicht kinematisch aufgebaut (z.B. wenn die Nut um 90° gedreht würde), so könnte sich die Optik nicht entlang der X-Achse ausdehnen und Spannungen wären die Folge.

Halter mit kardanischer Aufhängung

Üblicherweise werden bei kinematischen Optikhaltern, wie sie oben angesprochen wurden, anstelle der zweiten und dritten Kugel zwei Mikrometer- oder Feinverstellschrauben eingesetzt (Abb. 1). Hierdurch wird der Optikhalter in Bezug zur Basis justierbar. Ein Nachteil dieser Anordnung ist, dass die Drehachsen innerhalb des Optikhalters sitzen und nicht stationär sind, so dass sie mit jeder Verstellung des Halters wandern. Dies führt zu zwei Problemen. Zum einen bleiben die beiden Achsen, da sie wandern, nicht im rechten Winkel zur optischen Achse, so dass die Rotation um eine Achse die Justage beider Achsen erfordert. Zum anderen treten bei der Justage sowohl eine Rotations- wie auch eine Translationsbewegung auf, da die Achsen außerhalb der Optik liegen.
Bei Optikhaltern mit kardanischer Aufhängung entfallen diese Probleme. Hier sitzt die Optik in einem Ring, der in einer kardanischen Halterung aufgehängt ist. Die Optik wird innerhalb des Rings so befestigt, dass sich die beiden Kardanachsen auf der Optikvorderfläche kreuzen. Die Justage in der einen Achse verkippt den Spiegel. Der Mittelpunkt des Spiegels bleibt im Raum unverändert, so dass kein Versatz auftritt. Aus diesem Grund eignen sich Spiegelhalter mit kardanischer Aufhängung besonders gut für Aufbauten mit vielen optischen Elementen, da auf diese Weise eine Neujustage nachgeschalteter Optiken entfällt.

Wichtige Spezifikationen

Auflösung der Anzeige (display resolution): Die kleinste Bewegung, die noch angezeigt oder am Antrieb abgelesen werden kann. Für die meisten Mikrometerschrauben entspricht die Auflösung der Anzeige der kleinsten Skaleneinteilung, sei es direkt oder über einen Nonius. So besitzt die SM-25 Mikrometerschraube zum Beispiel eine Skaleneinteilung von 10 mm, der Nonius jedoch von 1 mm. Damit liegt die bestmögliche Auflösung der Anzeige bei 1 mm. Die Einstellempfindlichkeit der meisten Mikrometerschrauben ist typischerweise genauso gut oder sogar besser als die Auflösung der Anzeige oder Skalierung.

Auflösung der Position (position resolution): Kleinstes Bewegungsintervall, das noch unterschieden werden kann. Sie wird oft mit der Auflösung der Anzeige verwechselt. Mit den Fingern lässt sich beispielsweise die Drehung einer Verstellschraube um 1° durchführen. Die zugehörige Positionsauflösung der Schraube wäre der Verstellweg dieser Schraube bei Drehung um 1°.

Empfindlichkeit (sensitivity): Bezugnehmend auf eine manuell angetriebene Komponente gibt die Empfindlichkeit die kleinste Linear- oder Rotationsbewegung an, die unterschieden werden kann. Dieser Ausdruck wird manchmal als Auflösung bezeichnet und oft mit der Skalierung oder der Auflösung der Anzeige verwechselt. Da sich die Fingerfertigkeit je nach Anwender unterscheiden kann, wird vorausgesetzt, dass die Fingerspitzen empfindlich genug sind, eine 1° Rotationsverstellung an einer Feinverstellschraube vorzunehmen. Das bedeutet, dass sich die Angabe der Empfindlichkeit einer Feinverstellschraube o.ä. auf deren lineare Verstellung aufgrund einer 1° Drehung bezieht. Die Empfindlichkeit ist hauptsächlich durch die Reibung begrenzt.

Gieren (yaw): Das Gieren beschreibt eine Rotation in der Ebene um die vertikale bzw. Z-Achse und wird auch als Azimuthbewegung bezeichnet. Dieser Ausdruck wird auch verwendet, um die Drehung von Optiken in Optikhaltern zu beschreiben.

Haftreibung (stiction): Dieser Effekt tritt auf, weil der Koeffizient der statischen Reibung (Haftreibung) immer größer ist als der der Bewegungsreibung (Gleitreibung). Ist der Messtisch in Ruheposition und steigt die Krafteinwirkung nur langsam an, erfolgt zunächst keine Bewegung. Oberhalb einer bestimmten Schwelle tritt diese dann plötzlich ein. Die erste Bewegung des Schlittens ist ein nicht-linearer Sprung, der das kleinste Bewegungsintervall beschränkt.

Hysterese (hysteresis): Unterschiedliche Bewegungen bei denselben Eingangssignalen, die in verschiedenen Richtungen auftreten. Für die meisten Positionierungskomponenten liefern das Umkehrspiel und die Haftreibung die größten Beiträge zur Hysterese. Jedoch kann auch eine falsche Materialauswahl unter Belastung zu unelastischen Verformungen führen, was schwerwiegende Auswirkungen für Submikrometer-Anwendungen hat. Bei Piezobauteilen hingegen ist die Hysterese ein charakteristisches Merkmal.

Kleinste Schrittweite (minimal incremental motion): Die kleinste Bewegung, die ein Gerät ausführen kann. Dies ist nicht mit der Auflösung der Anzeige zu verwechseln, die sich auf den kleinsten Wert bezieht, den die Anzeige darstellen und der wesentlich unter der eigentlichen Schrittweite des Systems liegen kann. Dies ist zwar ein Schlüsselmerkmal eines Geräts, wird aber nur selten angegeben.

Kreuzkopplung (cross-coupling): Hiermit wird bei mehrachsigen Systemen der Bewegungsanteil einer Achse bezeichnet, der durch die Einstellung einer anderen Achse hervorgerufen wird. Das Phänomen tritt bei XY-Tischen oder kinematischen Spiegelhaltern auf. (An einem XY-Messtisch ist dies z.B. der Bewegungsanteil der X-Achse bei Einstellung der Y-Achse.)

Neigung (pitch): Drehung um eine horizontale bzw. Y-Achse (senkrecht zur Verschiebungsrichtung). Dies wird auch als Höhenwinkel bezeichnet, speziell bei Haltern mit Kardanaufhängung, die in der Astronomie und der Vermessung verwendet werden.

Rollen (roll): Drehung um die Bewegungs- oder X-Achse (Achse der Verschiebung).

Präzision (precision): Absolute Abweichungen in der Endposition, die beim wiederholten Einstellen einer Position auftreten. Die Präzision wird häufig fälschlicherweise mit der Wiederholgenauigkeit gleichgestellt, obwohl beide Spezifikationen nicht dasselbe meinen.

Umkehrspiel (backlash): Hiermit wird ein fehlendes Ansprechen bei Umkehrung der Bewegungsrichtung bezeichnet. Beispielsweise zeigt ein einfacher Motor mit motormontiertem Encoder bei der Umkehrung bereits einige Mikrometer Verschiebung an, bevor er seine Position wirklich verändert. Dieses Phänomen wird auch als Unempfindlichkeitsbereich, Schlupf oder Spiel beschrieben.

Wiederholgenauigkeit (repeatability): Die Fähigkeit eines Systems, eine Position wiederholt auf denselben Befehl hin einzunehmen. Von Herstellern wird häufig die unidirektionale Wiederholgenauigkeit angegeben, womit die Fähigkeit des Geräts bezeichnet wird, eine kleine Bewegung in einer Richtung zu wiederholen. Bei diese Definition werden Phänomene wie Umkehrspiel und Hysterese nicht berücksichtigt.

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