3D-Oberflächenmessung in Hochgeschwindigkeit durch konfokale Rastermikroskopie

Oberflächen 09. 06. 2020
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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.

Am Lehrstuhl für Interaktive Echtzeitsysteme des Karlsruher Instituts für Technologie KIT wurde nun ein neues Verfahren entwickelt, das bei Messungen mit der konfokalen Rastermikroskopie ein dreidimensionales Bild liefert. Dadurch können Messungen erheblich beschleunigt werden. 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 Lichts in unterschiedliche Farben liefert einen z-Stapel, das heißt, Tiefendaten für das 3D-Bild.

Abb. 1: Die Brennweiten für die jeweils unterschiedlichen Lichtwellenlängen – im Bild sind sie mit der jeweiligen Farbe dargestellt – werden bei der Erfindung schräg auf die Objekt­oberfläche gelenkt (Quelle: Luo, KIT)

 

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-elektromechanische 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, 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.

Abb. 2: Schema eines adaptiven chromatischen Konfokalmikroskops(Quelle: Luo, KIT)

 

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

 

Die von Dr. 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 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.

Die Erfindung wurde in Europa und den USA zum Patent angemeldet. Die Technologie-­Lizenz-Büro (TLB) GmbH unterstützt das KIT im Auftrag der Baden-Württemberg Stiftung bei der Patentierung und Vermarktung der Innovation. TLB ist mit der weltweiten wirtschaftlichen Umsetzung dieser zukunftsweisenden Technologie beauftragt und bietet Unternehmen Möglichkeiten der Zusammenarbeit und Lizenzierung der Schutzrechte. Weitere Informationen sind erhältlich über den Innovationsmanager Dr.-Ing. Florian Schwabe (E-Mail: schwabe@tlb.de).

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