Immer mehr Anwendungen für Hochleistungs-Diodenlaser Strahlung auf den Punkt gebracht

War der Laser schon eine der außergewöhnlichsten Erfindungen des 20. Jahrhunderts, so ist unter seinen vielen Arten der Halbleiterlaser der eigentliche Star. Leistungen bis in den kW-Bereich und gegenüber früher sehr viel schärfere Fokussierbarkeit eröffnen jetzt immer mehr Einsatzmöglichkeiten, vor allem in der Materialbearbeitung.

Die Abkündigung eines kommerziellen Betriebssystems war für einen Messgeräte-Hersteller der Grund, sich nach einer neuen Geräte-Software umzusehen. Die Wahl fiel auf Embedded-Linux, das dank offenem Quellcode und standardisierten Protokollen größtmögliche Unabhängigkeit von Herstellern und optimale Vernetzung mit jeglichen anderen Geräten garantiert.

Immer mehr Anwendungen für Hochleistungs-Diodenlaser

War der Laser schon eine der außergewöhnlichsten Erfindungen des 20. Jahrhunderts, so ist unter seinen vielen Arten der Halbleiterlaser der eigentliche Star. Leistungen bis in den kW-Bereich und gegenüber früher sehr viel schärfere Fokussierbarkeit eröffnen jetzt immer mehr Einsatzmöglichkeiten, vor allem in der Materialbearbeitung.

Zur Messung von extrem dünnen Schichten bis hinein in den Bereich von einzelnen Atomlagen werden so genannte Ellipsometer eingesetzt. Wird polarisiertes Licht von einer Oberfläche reflektiert, dann ändert sich der Polarisationszustand. Ein Ellipsometer misst diese Änderung und erlaubt dadurch Rückschlüsse auf die Dicke der Beschichtung. Dünne Schichten spielen in vielen Bereichen eine große Rolle (z.B. bei der optischen Vergütung von Brillengläsern). Auch in der Fertigung von Computerchips wird die Ellipsometrie von der Halbleiterindustrie eingesetzt. Die Vorteile der Methode sind die hohe Empfindlichkeit mit Reproduzierbarkeiten im Sub-Nanometer-Bereich sowie die zerstörungs- und berührungsfreie Messung. Auch im Bereich der Bioanalytik findet die Ellipsometrie zunehmend Verbreitung zum Nachweis kleinster Substanzmengen.

Seitdem im Jahre 1962 der allererste Gallium-Arsenid-Kristall kohärentes Licht ausstrahlte, haben ganze Generationen von Halbleiterlasern einander abgelöst – mit immer komplexeren Strukturen und immer besseren Eigenschaften. Massenanwendungen in optischer Nachrichtenübertragung und CD-/DVD-Lauf-werken ließen die Preise in den Keller fallen; damit finden sich immer neue Einsatzfelder, die vorher entweder überhaupt nicht denkbar oder aber anderen Laserarten vorbehalten waren. Die technologischen Fortschritte zeigen sich in ständig steigenden Leistungen, verbesserter Strahlqualität und vor allem längerer Lebensdauer. Hier ist eine Schlüsseltechnologie entstanden, entsprechend viele Firmen sind weltweit auf diesem Gebiet tätig. Zahllose verschiedene Bautypen haben sich herausgebildet, meist optimiert auf spezielle Anwendungen. Die Innovationen kommen Schlag auf Schlag, die deutsche Forschung und Industrie kann dabei im internationalen Wettbewerb gut mithalten. Hier sind einige Entwicklungen der letzten Zeit zusammengestellt.

Die „EP3 Ellipsometry Platform“ der Nanofilm Technologie GmbH (www.nanofilm.de) arbeitet mit einem Laserstrahl, der unter einem variablen Winkel auf die Oberfläche einer Materialprobe fällt (Bild 1). Dort wird er reflektiert, über eine Kamera erfasst und anschließend analysiert. Hier wurde das Prinzip der Ellipsometrie mit modernster Computer- und Bildverarbeitungstechnik zu einem bildgebenden Verfahren erweitert, das die mikroskopische Visualisierung von ultradünnen Schichten auf verschiedenen Substraten erlaubt. Bei einer Schichtdickenauflösung bis zu 1 Pikometer (entsprechend ca. 1/100 Atomlage) und gleichzeitiger Ortsauflösung von 1 Mikrometer ermöglicht das Gerät die Vermessung bis dato unzugänglicher Proben. So wird z.B. die Messung der Beschichtung auf der mikroskopisch kleinen aktiven Zone eines Schreib-/Lesekopfes für Festplatten möglich.

Die Embedded-Linux-basierte Steuerung der EP3 regelt das Zusammenspiel zwischen einer oder mehreren Laserquellen, diversen Servomotoren, digitalen Ein-/Ausgängen und mindestens einer Kamera über Ethernet und TCP/IP. Die Benutzersteuerung des Systems erfolgt von einem entfernten PC, der z.B. in einem Prozessleitstand stehen kann. Als Bedienoberfläche sowie zur Visualisierung und Steuerung kommt LabView unter Windows 2000/XP zur Anwendung. Die Kommunikation zwischen EP3 und Bedienrechner geschieht über ein applikationsspezifisches Layer-5-Protokoll im LAN. Die Verbindung des Gerätes mit dem Internet ist möglich und kann via verschlüsselter Verbindung zum Hersteller genutzt werden, um Betriebssystem- und Applikationssoftware zu aktualisieren.

Der Weltmarkt kam 2003 auf rund 3 Mrd. $, die Zuwachsrate liegt bei etwa 10 % jährlich. Wegen des rapiden Preisverfalls steigen die Stückzahlen noch schneller, in diesem Jahr dürften es etwa 500 Mio. werden. Die weitaus größten Umsätze (knapp zwei Drittel) werden im Bereich der CD-/DVD-Laufwerke gemacht, an zweiter Stelle (knapp ein Drittel) steht die optische Nachrichtentechnik. Der Rest verteilt sich auf viele kleinere Anwendungen, darunter Pumplaser, Materialbearbeitung, Medizin, Kassen-Scanner, Sensorik und vieles mehr.

In der Anfangszeit blieben die Ausgangsleistungen im Milliwattbereich. Noch relativ jung sind die Hochleistungstypen, ihr Aufschwung verlief dafür um so schneller. Schon Einzeldioden geben heute bis zu einigen zig Watt an Lichtleistung ab; Stapel kommen auf Gesamtleistungen bis zu einigen kW, die früher nur aus klobigen, energiehungrigen Großlasern zu erhalten waren. Damit können Diodenlaser in vielen Fällen an deren Stelle treten. Ihre Überlegenheit zeigt sich in den sehr viel kleineren Abmessungen, im geringeren Gewicht, im Betrieb mit Niederspannung und im sehr viel höheren elektrisch/optischen Umwandlungs-Wirkungsgrad – oft über 60 %.

Abgekündigtes Betriebssystem zwingt zum Umstieg

Die Version des Messsystems, die mit Embedded-Linux ausgestattet ist, wird seit zwei Jahren weltweit verkauft. Das Vorgängermodell lief unter einem weit verbreiteten kommerziellen Betriebssystem, das abgekündigt wurde. Für die Nanofilm Technologie GmbH hätte dies bedeutet, dass sie wesentliche Teile der Applikation sowie zahlreiche Treiber für Nanofilm-spezifische Hardware hätte neu entwickeln bzw. anpassen müssen. Da die verwendete Betriebssystem-Software nicht im Quellcode vorlag, konnten Änderungen und Erweiterungen im Betriebssystem und damit das Systemverhalten nicht im Detail nachvollzogen werden.

Die Summe dieser fremdinduzierten Kosten hätte sich auf mindestens 70 000 Euro belaufen. Diesem Kostenblock hätte keinerlei Leistungs- bzw. Produktivitätszuwachs gegenüber gestanden. Vor diesem Hintergrund begann die Suche nach leistungsfähigen Alternativen. Das Ergebnis war die Entscheidung für Embedded-Linux. Mit der Realisierung wurde die emlix embedded linux systems GmbH (www.emlix.de) beauftragt.

Herstellerspezifische Spezialtechnologien und Standards sind derzeit typisch für weite Bereiche industrieller Automatisierungssysteme. Fehlende – offene – Standards, fehlender Quellcode sowie Lizenzkosten für verkaufte Geräte werden wie im Fall Nanofilm jedoch vermehrt als wirtschaftliche Defizite erkannt. In der jüngsten Vergangenheit ist daher eine zunehmende Verbreitung offener Betriebsystem-Software sowie das Vordringen der Internet-Standards festzustellen. Offene Standards bilden die entscheidende technologische Grundlage für die Kopplung von verschiedenartigen Informationssystemen: Sie schützen die Investitionen in Produktentwicklungen, Schulungen und Erfahrungen der Mitarbeiter. Kosten aufgrund differierender Schnittstellen werden vermieden und der Wechsel von Lieferanten für eine bestimmte Komponente ist leichter möglich.

Über TCP/IP als offenem Kommunikationsstandard können verschiedenartige Systeme miteinander kommunizieren, da es für jeden Rechnertyp Schnittstellen zur Kommunikation über das TCP/IP-Protokoll gibt. In weiten Bereichen der Informationstechnologie haben sich die Protokolle daher als De-facto-Kommunikationsstandard etabliert. Über eine applikationsspezifische Protokollerweiterung kann auf Basis von Ethernet und TCP/IP auch die Steuerung des EP3 von einem Bedienrechner im LAN realisiert werden.

Embedded-Linux als Betriebssystem-Standard

Linux bzw. Embedded-Linux hat den Charakter eines offenen Betriebssystem-Standards. Der modulare Betriebssystemkern enthält alle Funktionen, die man von einem modernen Betriebssystem erwartet: echtes (unterbrechbares) Multitasking, Multiusing, virtuelle Terminals, virtuelle Speicherverwaltung, hierarchische Dateiverwaltung. Dynamisch nachladbare Bibliotheken, Hardware-Unabhängigkeit des Systems und andere Konzepte moderner Systemtechnik machen das System heute zu einer investitionssicheren, weitgehend den POSIX-Standards entsprechenden Plattform für Anwendungen in allen Bereichen der Computertechnik.

Für den Bereich der Automatisierung ist insbesondere Embedded-Linux von Interesse. Dabei handelt es sich um einen Linux-Kern, der für das jeweilige Anwendungsumfeld optimiert wurde, sowie um einige systemnahe Werkzeuge und den Linux-TCP/IP-Stack. Weiterhin kommen häufig Erweiterungen oder Funktionsbibliotheken zur Anwendung, z.B. für die Echtzeit-Fähigkeit oder das Verhalten des Systems bei plötzlichem Stromausfall.

Wie kein anderes 32-bit-Betriebssystem ist Linux heute auf den unterschiedlichsten Hardware-Plattformen zu Hause: x86, ARM7/9, SH3/4, PowerPC, Xscale, Motorola 68K, ColdFire, DragonBall und andere Prozessoren mit und ohne MMU werden derzeit unterstützt. Ein ressourcensparendes Embedded-Linux-System wird typischerweise nur mit den unbedingt nötigen Komponenten ausgestattet und direkt aus einem Flash-Speicherbaustein gebootet. Die hohe Modularität und Konfigurierbarkeit von Linux erleichtert die Anpassung an unterschiedliche Einsatzbedingungen. Linux unterstützt standardmäßig viele offene Kommunikationsprotokolle (Ethernet, ISDN, DECT, GSM u.a.) und ist damit ideal für vernetzte Embedded-Systeme. Treiber für diverse Feldbusse sind ebenfalls verfügbar. Linux vereinigt somit offene Betriebssystem- und diverse Kommunikationssystem-Standards zu einem modularen Konzept.

Linux wird die Automatisierungstechnik weder revolutionieren noch dominieren. Zu vielfältig sind die Anforderungen an Betriebs- und Anwendungssysteme „eingebetteter“ Rechner. Die Wahl fällt jedoch immer häufiger auf Linux, wenn Anforderungen wie die (kostenlose) Verfügbarkeit im Quellcode, technische Transparenz, Stabilität, Skalierbarkeit, Unterstützung verschiedener Hardwareplattformen und Netzwerkfähigkeit (bzw. -sicherheit) bei der Auswahl eines Embedded-Betriebssystems im Mittelpunkt stehen.

Auch auf dem Entwicklungsrechner ist keine lizenzpflichtige Software notwendig, wenn das System ebenfalls mit einer gängigen Desktop-Linux-Distribution betrieben wird. Alle notwendigen Tools stehen hier als freie Software zur Verfügung. Ein derartig ausgestatteter Arbeitsplatz kann auch zum Testen vieler Komponenten eines Embedded-Linux-Systems genutzt werden, denn schließlich ist das Linux-API auf Host und Target das gleiche.

Standard-Distribution oder individuelle Anpassung?

Nach der generellen Entscheidung für Linux stand als nächstes die Auswahl einer geeigneten Distribution im Mittelpunkt des Projekts. Hier ist die generelle Entscheidung zwischen Standard-Distribution oder individueller Anpassung zu fällen.

Eine Standard-Distribution adressiert Ein- und Umsteiger, die Erfahrungen mit Linux sammeln möchten. Sie ist für definierte Boards verfügbar und bietet z.B. mit Hilfe einer menügeführten Konfiguration einen schnellen Einstieg und kurzfristig Erfolgserlebnisse. Die Kosten für eine solche Distribution sind genau definiert. Muss jedoch im Rahmen des Projekts vom vorgegebenen Pfad abgewichen werden oder ändert sich im Laufe des Produktlebenszyklus die verwendete Hardware, so hilft eine Standard-Distribution nicht weiter und ersetzt kein vertieftes Systemwissen.

Im Gegensatz dazu ist eine Individual- bzw. Kunden-Distribution ein funktionsoptimiertes Embedded-Linux-System, welches als Ergebnis einer Anforderungsanalyse für die konkrete Aufgabenstellung zusammengestellt wird. Ein derartiges Embedded-Linux ist auf die Zielhardware, die Applikation sowie den Einsatzkontext abgestimmt und kann optimierte Kernel-, Boot- und Update-Mechanismen enthalten. Auch Treiber für Kundenhardware können integriert sein. Ein individuell zusammengestelltes Linux ist meist sehr klein und kann flexibel erweitert werden. Idealerweise wird eine Kunden-Distribution unter zentraler Versionskontrolle aus einem Software-Repository heraus entwickelt und gepflegt und im Quellcode an den Kunden geliefert.

Die Automatisierungskomponenten im konkreten Fall waren teilweise individuell entwickelt und bestanden zum anderen Teil aus zugekauften Bauteilen. Zudem sollte die technische Transparenz des Systems so hoch wie möglich sein. Vor diesem Hintergrund schied der Einsatz einer Standard-Distribution von vornherein aus. Die Integration der eigenentwickelten Hardware ist in diesem Zusammenhang ein einmaliger Aufwand.

Vielschichtige Strukturen