23.04.2020

Schnell gerastert

Oberflächenscan in Hochgeschwindigkeit mit konfokaler Rastermikroskopie.

Optische Oberflächenmess­verfahren zur Charakterisierung von Mikro- und Nanostrukturen eignen sich sehr gut für die Beurteilung von Oberflächen. Diese Mess­verfahren werden daher bevorzugt eingesetzt bei berührungs­losen optischen Messungen in automatisierten Test­verfahren oder im Bereich der Qualitäts­sicherung. 
 

Abb.: 3D-Messung einer 2-Euro-Münze mit dem Aufbau (Bild: Luo, KIT)
Abb.: 3D-Messung einer 2-Euro-Münze mit dem Aufbau (Bild: Luo, KIT)

Am Lehrstuhl für interaktive Echtzeit­systeme des Karlsruher Instituts für Technologie haben Forscher nun ein neues Verfahren entwickelt, das bei Messungen mit der konfokalen Raster­mikroskopie ein dreidimensionales Bild liefert. Dadurch lassen sich Messungen erheblich beschleunigen. Im Vergleich zu herkömmlichen Messsystemen wird die Scangeschwindigkeit bei nur geringfügig reduzierter Auflösung um den Faktor hundert erhöht.

Herkömmliche konfokale Mikroskope erhalten 3D-Bilder, indem einzelne Punkte der Probe nacheinander abgetastet und die detektierten Signale dann zusammen­gesetzt werden. Eine Aufspaltung des Lichtes in unterschiedliche Farben liefert einen z-Stapel, d.h. Tiefendaten für das 3D-Bild. Die beiden derzeit vorherrschenden Methoden zur Erhöhung der Abtastraten sind die Schlitz­raster­mikroskopie und die programmier­bare Array-Mikroskopie. Beide Methoden reduzieren die Abtastrate, indem der Strahl nur in einer Richtung über die Fokusebene geführt wird.

Schlitzrastermikroskope verwenden eine Schlitz­beleuchtungs­quelle, um die Probe wiederholt in einem Balken oder einer Linie abzutasten und die Signale durch eine Schlitzblende zu erfassen. Programmier­bare Array-Mikroskope hingegen verwenden die MEMS-Technologie (mikro-elektro-mechanische Systeme), um das Objekt durch eine Anordnung von Nadellöchern zu beleuchten, die beleuchtete Punkte auf der Proben­oberfläche erzeugen. Das Objekt wird mit diesem Array abgetastet, um die für die Abbildung erforderlichen Daten zu sammeln. Anstelle des zusätzlichen Scannens in axiale z-Richtung können beide Technologien durch chromatische konfokale Mikroskopie ergänzt werden, die die Tatsache ausnutzt, dass Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen unterschiedliche Fokusebenen entlang der z-Achse hat, um die Höhe des Objekts zu bestimmen. Leider beeinflusst die nur ein­dimensionale mechanische Abtastung die Geschwindigkeit des 3D-Abbildungs­prozesses in beiden Fällen negativ.

Die von Ding Luo am KIT entwickelte Erfindung kombiniert die Vorteile der chromatischen konfokalen Mikroskopie und ein neues Verfahren für einen 2D-Ober­flächen­scan, um ein Flächen­scannen zu ermöglichen. Dabei ist die Flächen­abtastung mit einem modifizierten konfokalen Mikroskop­aufbau möglich, wobei die Scan­geschwindigkeit um den Faktor von mehreren hundert steigt. Die laterale Unsicherheit wird dabei nur um einen Faktor von etwa 2,5 erhöht und die Auflösung damit nur geringfügig reduziert.

Die Eignung des Verfahrens sowie die Vorteile gegenüber dem Stand der Technik lassen sich mit einem Prototyp und numerischen Berechnungen demonstrieren. Da der Effekt simuliert werden kann, lassen sich die Vorteile für beliebige Mikroskopie­systeme im Vorhinein berechnen. Die Erfindung wurde in Europa und den USA zum Patent angemeldet.

TLB / DE

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