DC-Kleinstantriebe für überraschende Effekte Kleinstantriebe für den Laserstrahl

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Als umweltfreundliche Alternative zum traditionellen Feuerwerk sind Laserprojektionen bei verschiedenen Events zu bewundern. Hinter den magisch leuchtenden Lichtgebinden stecken jede Menge High-Tech und Know-how. Auch die kleinen DC-Antriebe, die in den Laserprojektoren für Strahlausrichtung und Effekterzeugung sorgen, müssen Beachtliches leisten: Hohe Präzision und Wiederholgenauigkeit sind obligatorisch, wenn zum Beispiel Filter im Strahlengang auf ein Tausendstelgrad genau positioniert werden müssen.

Seit über 35 Jahren entwickelt und produziert Laser Animation Sollinger mit Sitz in Berlin hochwertige Lasersysteme und -steuerungen für unterschiedlichste Laser- und Multimedia-Anwendungen. Spektakuläre Anwendungen gibt es zuhauf, zum Beispiel der «Global Rainbow» der Künstlerin Yvette Mattern: Sieben bunte und starke Laserstrahlen, die vom Berliner Ernst-Reuter-Platz in Richtung Siegessäule in die Höhe leuchten und die Atmosphäre der ganzen Innenstadt verändern. Oder «Another Moon» vom Künstlerduo Kimchi and Chips, das über der Zeche Zollverein in Essen einen zweiten Mond am Himmel erscheinen lässt.

Muster und Farbgebung: Stärken und technische Herausforderungen

Die oft überraschenden, manchmal atemberaubenden Lichteffekte beruhen auf den Eigenschaften des Laserstrahls. Bei Intensität, Strahlbündelung und Reichweite übertrifft er Lichtstrahlen aus anderen künstlichen Quellen um ein Vielfaches. Gleichzeitig ist der Laser aber optischen und technischen Beschränkungen unterworfen, wie Richard Schäfer, Vertriebsleiter bei Laser Animation Sollinger, erklärt: «Der Strahl ist üblicherweise sehr dünn, bei unseren Geräten beträgt sein Durchmesser in der Regel um die vier Millimeter. Auf einer Projektionsfläche erscheint also immer nur ein kleiner Punkt.» Um trotzdem ein Muster wie ein Logo, einen Schriftzug oder bewegte Bilder zu erzeugen, setzt die Laserprojektion auf die Trägheit des menschlichen Auges. Genau gesagt ist es die Bildverarbeitung im Gehirn, die ja auch bei einem Film aus 24 Einzelbildern pro Sekunde einen kontinuierlichen Verlauf «zusammendenkt». Bewegt sich der Laserstrahl nur schnell genug, «sieht» der Mensch statt eines herumflitzenden Lichtpunktes die projizierte Animation. Dafür wird der Strahl im Projektor mittels zweier Spiegel für die x- und y-Achse abgelenkt. Eine weitere Herausforderung galt es bei der Farbgebung zu meistern. Die Farbe eines Lasers hängt vom laser­aktiven Material ab, in dem der Strahl erzeugt wird. Bei der Laserprojektion ist es der Halbleiter. Laserdioden können aber nur wenige Grundfarben erzeugen, hauptsächlich Rot, Grün und Blau. Die Highend-Geräte von Laser Animation Sollinger verfügen darüber hinaus über Coherent-OPSL-Quellen für Gelb, Orange und Cyan. Um einen weissen Strahl zu produzieren, müssen Strahlen mehrerer Farben «kollinear übereinandergelegt» werden. Dasselbe gilt für andere Farben. Um die unterschiedlichen Töne der gesamten Palette herzustellen, wird zusätzlich die Intensität der einzelnen Strahlen moduliert.

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Filter für Farbvielfalt

Je besser es gelingt, die unterschiedlichen Laserquellen mit jeweils verschiedenen Wellenlängen so gut wie möglich kollinear übereinanderzulegen, desto schärfer und präziser wirkt das Ergebnis für das menschliche Auge. Dazu werden «dichroitische Filter» verwendet, die bestimmte Wellenlänge umlenken, während andere Wellenlängen (also Farben) die Filter passieren. So können unterschiedliche Laserstrahlen zu einem einzigen Strahl «übereinandergelegt» werden. Ein entsprechender «weisser» Strahl für das menschliche Auge ist dann die Kombination aus roten, grünen und blauen Quellen. Das funktioniert allerdings nur, wenn die Strahlen ganz genau und vor allem langfristig beisammenbleiben, und das auch noch in grosser Entfernung. Schliesslich sollen Laserinstallationen oft auf hunderte Meter oder sogar mehrere Kilometer zu sehen sein. Entsprechend präzise muss man die dichroitischen Filter justieren, wie Richard Schäfer erklärt: «Eine Abweichung von einem Hundertstelgrad ergibt auf hundert Meter einen Versatz von 1,7 Zentimeter. Damit liegen die Einzelfarben nicht mehr übereinander und können vom Auge unterschieden werden, der Farbmisch-Effekt wäre dahin.»

Nun ist es durchaus nicht aussergewöhnlich, dass ein Laserprojektionsgerät den Betrieb in Berlin verlässt, um einen Tag später zum Beispiel für eine Lasershow in Dubai aufgestellt zu werden. Nach minus zwanzig Grad auf dem Frachtflug heizt sich das Gehäuse in der Wüstensonne auf sechzig Grad oder mehr auf.

Trotz hochwertiger Materialien und ausgefeilter Befestigungstechnik ist da ein gewisser Verzug in der Optik unvermeidlich. Die Position der dichroitischen Filter muss also leicht nachjustiert werden. Für diesen Zweck sind die Halter der dichroitischen Spiegel mit einem Antrieb versehen: Bürstenlose DC-Motoren der Serie B-Micro von Faulhaber mit integriertem Getriebe erledigen die Aufgabe der softwaregesteuerten Feineinstellung auf mindestens ein Tausendstelgrad genau. Mit Durchmessern zwischen 3 und 5 mm bei 8 bis 14,6 mm Länge sind die sensorlosen Micro-Motoren in 2-Pol-Technologie sehr kompakt und liefern ein vergleichsweise hohes Dauerdrehmoment bis 18 µNm.

Schutzklappe und Beugungsgitter

In den Laserprojektoren gibt es aber auch noch weitere Einsatzbereiche für die leistungsstarken Kleinstantriebe, zum Beispiel als Schutzeinrichtung. Da das intensive Laserlicht nicht unkontrolliert ins menschliche Auge gelangen soll, sind die Projektoren mit einem zweistufigen Abschaltmechanismus ausgestattet. Neben einer elektronischen Schutzschaltung gibt es für den Notfall auch einen mechanischen Shutter. Seine Klappe wird während des regulären Betriebs von einem motorisierten Drehmagneten offengehalten. Bei einer Störung stoppt die Sicherheitsschaltung den Motor und lässt so die Klappe in den Strahlaustritt fallen.

Weitere Antriebe von Faulhaber kommen im Grating-Modul, also dem Beugungsgitter, zum Einsatz. Damit kann ein Laserprojektor neben Beams und Grafiken auch vielfältige Muster und Effekte erzeugen. Die Effekte können nicht nur an einer Projektionswand, sondern auch freischwebend im Raum inszeniert werden.

Die Räder im Grating-Modul werden von Schrittmotoren in Position gebracht, um ein bestimmtes Gitter für die Projektion auszuwählen. Die kreisförmigen Gitter selbst werden dann von bürstenlosen DC-Motoren in eine Bewegung versetzt. Das erzeugt einen zusätzlichen optischen Effekt, der vom wilden Zappeln bis zur schleichenden Veränderung eines Bildes führen kann.

Präzision und Wiederholgenauigkeit

«Für solche Effekte werden häufig mehrere Projektoren in parallelem Betrieb eingesetzt», erklärt Richard Schäfer. «Sie können ihre Wirkung nur entfalten, wenn sich die Gitter völlig synchron bewegen, bei höchster und niedrigster Drehzahl ebenso wie beim Start/Stopp-Betrieb mit ständigem Richtungswechsel.»

Die Projektoren und die Grating-Module sind mit Technik vollgepackt, der Bauraum ist äusserst eng. Nur sehr kleine Motoren finden darin Platz. Dennoch sind höchste Präzision und Wiederholgenauigkeit hier zusätzliche Mindestanforderungen. Hier wurden spielfreie Getriebe integriert, die wesentlich dazu beitragen, die hohen Anforderungen zu erfüllen. Auf die Frage nach dem Beginn der Zusammenarbeit mit Faulhaber antwortet Richard Schäfer, das müsse vor seiner Zeit gewesen sein, und bei der Suche nach der ersten Bestellung stösst er auf die Jahreszahl 2003. Demnach haben sich die Motoren in diesem anspruchsvollen Anwendungsbereich seit zwanzig Jahren bewährt.

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