Schneller messen mit konfokaler Rastermikroskopie

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3D-Oberflächenmessungen in Hochgeschwindigkeit ermöglicht ein neues Verfahren mit konfokaler Rastermikroskopie, das Karlsruher Forscher entwickelt haben.

Mit der konfokalen Rastermikroskopie, die am Lehrstuhl für Interaktive Echtzeitsysteme des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) entwickelt wurde, können Messungen erheblich beschleunigt werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Messsystemen wird die Scan-Geschwindigkeit bei nur geringfügig reduzierter Auflösung um den Faktor 100 erhöht.

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

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, das heißt Tiefendaten für das 3D-Bild.

Etablierte Methoden sind langsam

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 z-Richtung (axiale Richtung) können beide Technologien durch chromatische konfokale Mikroskopie ergänzt werden Diese nutzt die Tatsache aus, dass Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen unterschiedliche Fokusebenen entlang der z-Achse hat, um die Höhe des Objekts zu bestimmen. Doch beeinflusst die nur eindimensionale mechanische Abtastung die Geschwindigkeit des 3D-Abbildungsprozesses in beiden Fällen negativ.

Konfokale Rastermikroskopie kombiniert zwei Verfahren

Beispielhafte 3D-Messung einer 2-Euro-Münze mit dem erfindungsgemäßen Aufbau der konfokalen Rastermikroskopie. Foto: Luo/KIT

Die von Dr. Ding Luo am KIT entwickelte Erfindung der konfokalen Rastermikroskopie 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 können mit einem Prototyp und numerischen Berechnungen demonstriert werden. Da der Effekt simuliert werden kann, lassen sich die Vorteile für beliebige Mikroskopiesysteme im Vorhinein berechnen.
Das Technologie-Lizenz-Büro (TLB) unterstützt das KIT im Auftrag der Baden-Württemberg Stiftung bei der Patentierung und Vermarktung der Innovation. Das heißt, das TLB bietet Unternehmen Möglichkeiten der Zusammenarbeit und Lizenzierung der Schutzrechte.

sk

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