Digitale Holographische Mikroskope
Nach mehr als 10 Jahren Einsatz, sowohl in der Forschung als auch im industriellen Umfeld, hat sich die Digitale Holographische Mikroskopie zu einer führenden Untersuchungsmethode auf dem Markt der Materiealforschung und des Bereichs Life Science entwickelt. Komplettlösungen, von der Messung bis hin zur Analyse, ermöglichen hohe Geschwindigkeit und Genauigkeit.
Wie vermisst man mit Nanometer-Genauigkeit industriell gefertigte Werkstücke auf einem Förderband, ohne den Ablauf zu stoppen? Wie analysiert man die komplexe 3D-Bewegung mikroelektromechanischer Systeme, so genannter MEMS, die sich mit einigen zehn Megahertz bewegen? Wie charakterisiert man das dynamische Verhalten von mikrofluiden Systemen? Wie misst man das Echtzeitwachstum von nanometer-dicken transparenten Strukturen? Wie erhält man Aussagen über die Änderung von dielektrischen Konstanten unter dem Einfluss magnetischer Felder? Wie quantifiziert man in-situ Korrosion, Zerfallsprozesse oder Abrieb bei hohen Temperaturen oder hoher Luftfeuchtigkeit? Wie charakterisiert man dynamische Deformationen von Bauteilen unter mechanischen Spannungen oder die Strukturierung komplexer Multilagensysteme?
Qualitätskontrolle oder Materialforschung - Ein Hologrammbild genügt
Der Schlüssel zur Lösung all dieser Messaufgaben: Es bedarf einer rein nicht-scannenden Technik, mit der alle nötigen Informationen in einem so kurzen Zeitfenster aufgenommen werden, dass Auslenkungen, Deformationen oder Modifikationen der Probe, verglichen mit der räumlichen Auflösung des Systems, keine Rolle spielen. Unter Ausnutzung der herausragenden Stärken der Holographie bietet Lyncée Tec hier eine einzigartige Lösung für all die genannten Anwendungen: Digitale Holographische Mikroskope (DHM) - optische 3D-Profilometer mit Sub-Nanometer-Auflösung.
Holographie ermöglicht es, mit einem intensitäts-sensitiven Detektor, etwa einer Kamera, simultan auch die Phase einer optischen Wellenfront aufzuzeichnen. Physikalisch ist diese Phase nichts anderes als die räumliche Position der Wellenfront als Funktion der Zeit und erlaubt die Bestimmung der vertikalen Höheninformation mit Sub-Nanometer-Auflösung.
Durch effiziente Nutzung der stetig wachsenden Rechenleistung moderner Computer, gelang Forschern der EPFL (Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne) Ende der 90er Jahre die Entwicklung einer patentierten Methode, die es ermöglicht, die Phaseninformation aus einem einzigen, mit einer Standardkamera aufgenommenen Hologrammbild zu bestimmen. Zuvor war zur Ermittlung dieser Phaseninformation die Aufnahme mehrerer Hologramme nötig.
Das Schweizer Unternehmen nutzt diese Technologie und entwickelt sie stetig weiter, auch durch gemeinsame Forschungsprojekte mit der EPFL. Die holographischen Mikroskope sind mittlerweile weltweit im Einsatz etwa in der einfachen optischen 3D-Profilometrie, der industriellen Qualitätskontrolle, bei neuartigen dynamischen Untersuchungen in der Materialforschung und im Life-Science-Bereich.
DHM, überlegen bei 3D-Topgraphie-Aufnahmen
In der Mikro- und Nanofabrikation von Bauteilen überlagern sich häufig elektrisch leitende und isolierende Strukturen mit Schichtdicken von einigen Nanometern bis wenigen Mikrometern. Optisch können diese Schichten völlig oder teilweise transparent sein, während andere reflektierend sind. Laser-Scanning-Mikroskope oder Weißlicht-Interferometer versagen bei der Aufnahme der 3D-Topographie transparenter Schichten in dieser Größenordnung. Ein Multi-Wellenlängen-DHM kombiniert mit erweiterten Reflektometrie-Algorithmen bietet für solche Problemstellungen eine Lösung. Auf dem Gebiet der Life Sciences kooperiert Lyncée Tec mit verschiedenen akademischen Partnern. Aktuelle Arbeiten bestätigen die Einsatzmöglichkeiten beim Monitoring zellulärer dynamischer Prozesse wie: Transmembraner Wasser- und Ionenaustausch, Proteinsynthese, kleinste Änderungen der Morphologie oder mechanischer Zelleigenschaften.
DHM für die industrielle Qualitätskontrolle interessant
Im Standardbetrieb ist die zeitliche Auflösung eines DHM allein durch die Bildaufnahmerate der Kamera begrenzt. Dank optimierter GPU-basierter Signalverarbeitung erreicht ein DHM, das mit einer Standard-Kamera und einem Computer ausgerüstet ist, bei einer 3D-Inspektion Bildraten von 25 Bildern pro Sekunde (fps). Jedes Einzelbild wird mit einer Belichtungszeit von unter einer Millisekunde aufgenommen, wodurch das System nahezu unempfindlich gegenüber Schwingungen, äußeren Störungen oder Bewegungsunschärfen ist. DHMs sind auch für den Bereich industrielle Qualitätskontrolle interessant. Maßgeschneiderte DHM-Sensoren mit höheren Laserleistungen ermöglichen Belichtungszeiten bis hinunter in den Mikrosekundenbereich. Kameras mit Bildraten von bis zu 1000 fps gestatten die durchgängige Untersuchung von ausgedehnten Oberflächen, ohne jede Unterbrechung des Ablaufs. Ein DHM kann dazu in jede existierende Prozess- oder Kontrollplattform integriert werden, ohne dass zusätzlich weitere Anforderungen beachtet werden müssen, anders als bei herkömmlichen industriellen Bildverarbeitungssystemen vergleichbarer Auflösung.
Detaillierte Analyse dynamischer Eigenschaften
Die ultimative Zeitauflösung eines DHM wird jedoch bei der Analyse periodischer Bewegungen im stroboskopischen Modus erreicht. Diese Technik wird aktuell bei der dynamischen Untersuchung von MEMS eingesetzt und ist der Laser-Doppler-Vibrometrie weit überlegen. Eine spezielle Elektronik synchronisiert dabei mit sehr kurzen Laser-Pulsen die Messaufnahme mit der Anregungsfrequenz der MEMS, welche bis zu 25 MHz betragen kann. Damit erreicht man das „Einfrieren" der Bewegung in aufeinanderfolgenden Momentaufnahmen eines Schwingungszyklus mit einer zeitlichen Auflösung von unter zehn Nanosekunden. Die Fülle, Vielzahl und Genauigkeit der so gewonnen Informationen erlauben eine detaillierte Analyse der dynamischen Eigenschaften der beobachteten Struktur und liefern eine dynamische 3D-Topographie. Eine speziell auf diese Anwendung abgestimmte Software analysiert die stroboskopischen Daten, extrahiert daraus Schwingungsamplituden mit einer Genauigkeit von 5 pm für Schwingungen außerhalb der Ebene (out-of-plane) und 1 nm für Schwingungen innerhalb der Ebene (in-plane) und ermöglicht darüber hinaus die Bestimmung von Bode-Diagrammen.
Kompatibel mit Standardobjektiven
Eine weitere Besonderheit des DHM ist die Kompatibilität des optischen Designs mit fast allen am Markt erhältlichen Standard-Mikroskopobjektiven, anders als bei traditionellen Weißlicht-Interferometern. Als Folge kann das DHM problemlos für Messungen in Flüssigkeiten oder unter Glas mit optimaler Auflösung eingesetzt werden und erlaubt Echtzeitmessungen in schwerzugänglichen Umgebungen, die der Interferometrie versagt bleiben wie beispielsweise im Vakuum, unter hohen Drücken, hohen Temperaturen oder in korrosiven Medien.
