Konfokale Mikroskopie
 |
Messprinzip |
Die konfokale Mikroskopie ist eine etablierte robuste Technik zur Untersuchung von Volumenverteilung und Oberflächentopografien. Die hauptsächliche Anwendung findet sich in der Biologie, der Medizin und in den Materialwissenschaften. Am Institut für Technische Optik wird die konfokale Mikroskopie vor allem zur Bestimmung dreidimensionaler Oberflächentopografien meist technischer Objekte angewandt. Jüngste Entwicklungen zielen auch auf die Verkürzung der Messzeiten, miniaturisierte Punktsensoren, sowohl schnelle Punkt- als auch Liniensensoren für Messungen unter schwierigen Bedingungen, sowie auch Messungen an biologischen Proben.
Messprinzip |
|---|
Abbildung 1 zeigt das Prinzip der konfokalen Detektion: Eine Punktlichtquelle wird auf das Objekt abgebildet. Das vom Objekt reflektierte Licht wird auf einen punktförmigen Detektor fokussiert. Das Detektorsignal ist genau dann maximal, wenn sich das Objekt in der gemeinsamen Fokusebene von Punktlichtquelle und Detektor befindet. Wenn sich das Objekt vor, bzw. hinter der Fokusebene befindet, ist sowohl die Beleuchtung auf dem Objekt, als auch die Abbildung auf dem Detektor unscharf und die detektierte Intensität entsprechend geringer.
Um mit diesem prinzipiell punktweise arbeitenden Verfahren eine dreidimensionale Topografie aufzunehmen, muss die gesamte Oberfläche in allen drei Raumrichtungen mit dem Fokus abgetastet werden.
 |
Abbildung 1: Konfokales Prinzip
Konfokale Mikroskopie mit Nipkow-Scheibe
Zur Parallelisierung der Messung der Topografie kann eine rotierende Nipkowscheibe (vgl. Abbildung 2) verwendet werden, die gleichzeitig einige tausend konfokale Blenden als Punktlichtquellen und Punktdetektoren darstellt. Durch Anordnung der Blenden auf spiralförmigen Bahnen auf der rotierenden Nipkowscheibe entfällt das laterale Scannen der Probe. Zur Messung ist nur ein Scan in axialer Richtung notwendig.
Messfelder: 1 µm x 1 µm bis 70 µm x 70 µm
Laterale Auflösung: bis 1 µm
Höhenauflösung: besser 50 nm
Messobjekte: z.B. Metalloberflächen, Papier, Glas Keramik, Kunststoffe
 |
 |
| Abbildung 2 : Konfokales Mikroskop mit rotierender Nipkowscheibe | Abbildung 3: Messbeispiel (Microchip Strukturen) |
Innovation: Einsatz von Mikrolinsen |
|---|
Der Nachteil der klassischen Nipkowscheibe ist der hohe Lichtverlust. Vom Licht der Lichtquelle kann nur etwa ein Prozent zum Messen genutzt werden. Durch den Einsatz von Mikrolinsen anstelle der Punktblenden kann man einen Füllfaktor von 100% erreichen und somit die Lichtquelle etwa um den Faktor 60 besser ausnutzen.
Anwendungen |
|---|
Direktes Messen mit einem Mikrolinsenarray:
Diese Technik kombiniert den Vorteil hoher numerischer Apertur einer einzelnen Mikrolinse mit der Anordnung einer grossen Anzahl konfokaler Systeme für parallele Messung bei sehr grossen Objektfeldern. Die hohe Lichteffizienz im Vergleich zum Aufbau mit rotierender Mikrolinsenscheibe ist durch die Verwendung eines Mikrolinsenarrays gegeben. Die Messzeit kann durch Ausnutzung der chromatischen Aberration der Mikrolinsen erheblich verkürzt werden und kann im Extremfall der Zeit für die Aufnahme eines einzigen Kamerabildes entsprechen, da der axiale Scan entfallen kann.
Konfokales Mikroskop mit rotierender Mikrolinsenscheibe:
Ergebnisse |
|---|
Konfokale Messanordnung mit Mikrolinsen:
 |
 |
| Abbildung 4: Prinzip der konfokalen Messanordnung mit Mikrolinsenarray | Abbildung 5: Messbeispiel Topografie der kanadischen 10 Cent-Münze |
| Messobjekte: z.B. Metalloberflächen, Papier, Glas Keramik, Kunststoffe |
Konfokales Mikroskop mit rotierender Mikrolinsenscheibe:
 |
 |
| Abbildung 6: Abbildung mit Mikrolinsenarray | Abbildung 7: Messung an Papier |
| Messobjekte: z.B. Metalloberflächen, Papier, Glas Keramik, Kunststoffe |
Performance |
|---|
Konfokale Messanordnung mit Mikrolinsen:
Messfelder: bis 40 mm x 40 mm
Laterale Auflösung: 20 µm bis 150 µm
Höhenauflösung: besser 1 µm
Konfokales Mikroskop mit rotierender Mikrolinsenscheibe:
Messfelder: 0,2 mm x 0,2 mm bis 4 mm x 4 mm
Laterale Auflösung: bis 2 µm
Höhenauflösung: besser 50 nm
Referenzen |
|---|
| [1] | Körner, K.; Ruprecht, A. K.; Wiesendanger T. “Optical profiling techniques for MEMS Measurement“ in W. Osten (Editor) “Optical Inspection of Microsystems: Methods and Application” CRC Taylor & Francis, Boca Raton London New York, S. 145-162 ( 2006) |
| [2] | Wiesendanger, T.; Osten, W.; Pannekamp, J.; Regin, J.; Westkämper, E., „Neue multiskalige Mess- und Prüfstrategien für die Produktion von Mikrosystemen“ In: Mikrosystemtechnik Kongress 2005. GMM, VDE, VDI, (eds.), VDE Verlag Berlin, Germany; pp. 677-680. |
| [3] | Ruprecht, A.K.; Körner, K.; Wiesendanger, T.F.; Tiziani, H.J.; Osten, W., „Chromatic confocal sensors for micro-topography measurements” in 50. Internationales Kolloquium der TU Ilmenau, 2005. |
| [4] | A. K. Ruprecht, K. Körner, T. F. Wiesendanger, H. J. Tiziani, W. Osten, Chromatic confocal detection for high speed micro-topography measurements, Proceedings of SPIE, Vol. 5302, pp. 53-60 (2004). |
| [5] | Ruprecht A. K., Wiesendanger T. F., Tiziani H. J.; "Chromatic confocal microscopy with finite pinhole size" Opt. Lett. 29 (18), 2130-2132 (2004) |
| [6] | Yasuno Y., Wiesendanger T. F., Ruprecht A. K., Makita S., Yatagai T., Tiziani H. J.; "Wavefront-flattness evaluation by wavefront-correlation-information-entropy method and its application to adaptive confocal microscope" Opt. Comm. 232, 91-97 (2004) |
| [7] | Yasuno Y., Wiesendanger T., Ruprecht A., Yatagai T., Tiziani H.J.; "Determination of Aberration Coefficient of Microoptic Arrays from Axial Confocal Response by Neural Method", Opt. Rev. 10 (4) 318-320 (2003) |
| [8] | Wiesendanger T. F., Yasuno Y., Ruprecht A., Yatagai T., Tiziani, H. J.; "Characterization of Microoptic Arrays by Evaluation of the Axial Confocal Response", Opt. Rev. 10 (4) 301-302 (2003) |
| [9] | Ruprecht A. K., Wiesendanger T. F., Tiziani, H. J.; "Signal evaluation for high-speed confocal measurements", Appl. Opt. 41 (35), 7410-7415 (2003) |
| [10] | Tiziani H. J., Wegner M., Steudle D.; "Confocal principle for macro- and microscopic surface and defect analysis", Opt. Eng. 39 (1), 32-39 (2000) |
| [11] | Jordan M., Wegner M., Tiziani H. J.; "Highly accurate non-contact characterization of engineering surfaces using confocal microscoy", Measurement Science & Technology 9, 1142-1151 (1998) |
| [12] | Hessler T., Rossi M., Pedersen, J., Gale M. T., Wegner, M., Steudle, D., Tiziani H. J.; "Microlens arrays with spatial variation of the optical functions", Pure & Applied Optics 6, 673-681 (1997) |
| [13] | Tiziani H. J., Achi R., Krämer R. N., Hessler T., Gale M. T., Rossi M., Kunz R. E.; "Microlens arrays for confocal microscopy", Optics & Laser Technology 29 (2), 85-91 (1997) |
| [14] | Tiziani H. J., Achi R., Krämer R. N.; "Chromatic confocal microscopy with microlenses", J. Mod. Opt. 43 (1), 155-163 (1996) |
| [15] | Tiziani H. J., Achi R., Krämer R. N., Wiegers L.; "Theoretical Analysis of Confocal Microscopy with Microlenses", Appl. Opt. 35 (1), 120 (1996) |
| [16] | Tiziani H. J., Uhde H. M.; "Three dimensional imaging sensing by chromatic confocal microscopy", Appl. Opt. 33 (10), 1838-1843 (1994) |
| [17] | Tiziani H. J., Uhde H. M.; "Three dimensional analysis by a microlens array confocal arrangement", Appl. Opt. 33 (4), 567-572 (1994) |