Mittels optischer Profilometrie kann die Topographie (z.B. Stufenhöhen, Kantensteigungen, Grabentiefen, Rauheiten, Defekte) einer Oberfläche berührungslos mit einer vertikalen Auflösung bis in den Nanometerbereich und hoher lateraler Auflösung untersucht werden.
- Präzise 2D- & 3D-Analytik: Berührungslose Abbildung und quantitative Vermessung komplexer Oberflächentopographien.
- Normgerechte Rauheitsmessung:
- 2D-Analysen nach ISO 4287 (Ra, Rq, Rz u.v.m.)
- 3D-Analysen nach ISO 25178 (Sa, Sq, Sz u.v.m.)
- Schichtdicken & Stufenhöhen: Exaktes Ausmessen von Stufenhöhen zur Bestimmung dünner Schichtsysteme im Nanometerbereich.
- Drei Verfahren zur Auswahl: Optimale Ergebnisse durch Weißlicht-Interferometrie, konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie (LSM) oder Fokusvariation.
- Zerstörungsfreie Prüfung: Alle Messungen erfolgen unter Umgebungsbedingungen – ohne Probenpräparation oder Materialbeeinträchtigung.
- Höchste Auflösung: Vertikale Detailtiefe bis zu 0,1 nm für anspruchsvollste Oberflächencharakterisierungen.
Je nach Probenbeschaffenheit und Fragestellung wählen unsere Experten das passende optische Verfahren aus, um das optimale Verhältnis zwischen Messbereich und Auflösung zu erzielen:
| Merkmal | Weißlicht-Interferometrie (WLI) | Konfokale Mikroskopie (LSM) | Fokusvariation |
|---|---|---|---|
| Primäres Einsatzgebiet | Glatte Oberflächen & Nanometer-Stufen | Allround: Rauheit & Topographie | Grobe Strukturen, Werkzeuge & Echtfarben |
| Vertikale Auflösung | < 0,1 nm | ca. 10 nm | ca. 50 – 100 nm |
| Max. Flankenwinkel | bis ca. 15° | bis ca. 70° | bis zu 87° |
| Besonderer Vorteil | Höchste Genauigkeit bei Stufenhöhen | Hohe laterale Schärfe & Kontrast | Darstellung in Echtfarben (3D-Bild) |
| Probenbeschaffenheit | Spiegelnd, poliert, dünne Schichten | Metalle, Polymere, Keramik | Raue Oberflächen, gefräste Bauteile |
Warum optische Profilometrie bei nanoAnalytics?
In der modernen Fertigung und Qualitätssicherung entscheiden oft Nanometer über die Funktion eines Bauteils. Ob es um die Optimierung von Schmierspaltgeometrien, die Analyse von Verschleißerscheinungen oder die präzise Bestimmung von Stufenhöhen geht – wir liefern Ihnen nicht nur Bilder, sondern belastbare Daten. Unser Labor kombiniert langjährige Erfahrung in der Oberflächenanalytik mit modernster Gerätetechnik, um auch bei komplexen Probengeometrien klare Antworten zu liefern.
Die Weißlicht Profilometrie eignet sich vor allem zur hochpräzisen Messung relativ glatter Probenoberflächen. Dazu wird weißes Licht zunächst durch einen Filter und ein Interferometer-Objektiv (ein Objektiv mit integriertem Interferometer-Aufbau) auf die zu untersuchende Probenoberfläche geleitet. Der Strahlteiler des Interferometers reflektiert die eine Hälfte des eingestrahlten Lichtes auf einen Referenzspiegel innerhalb des Objektives. Der andere Teil des Strahles wird auf die Probe geleitet und von dieser reflektiert. Der von der Probe sowie der vom Referenzspiegel reflektierte Anteil werden auf dem Rückweg zur Interferenz gebracht. Dies führt zu einem Interferenzmuster (engl. fringes). Wird nun der Referenzspiegel mit Hilfe eines piezoelektrischen Wandlers bewegt, so variiert das Interferenzmuster. Mit Hilfe eines Kamerasystems wird die Variation des Interferenzmusters in Abhängigkeit von der bekannten Bewegung des Referenzspiegels aufgezeichnet. Aus diesen Daten kann dann die Lateralverteilung der relative Höhe der gemessenen Probenoberfläche berechnet werden.
Das bei nanoAnalytics eingesetzte 3D Laserscanning-Mikroskop verwendet einen Laser mit 400 nm Wellenlänge als Lichtquelle für mikroskopische Untersuchungen.
Das von der Laserlichtquelle emittierte Licht wird von der Objektivlinse im Brennpunkt fokussiert. Das im Brennpunkt positionierte Messobjekt wirft an seiner Oberfläche das Licht durch die Objektivlinse zurück, wo es erneut fokussiert wird. Am Brennpunkt befindet sich eine Lochblende. Um zu verhindern, dass das reflektierte Laserlicht an der gleichen Position wie die Laserlichtquelle fokussiert wird, wird die optische Achse über einen halbdurchlässigen Spiegel so umgelenkt, dass das Licht auf den Detektor trifft. Der in Richtung Detektor fokussierte Strahl geht durch die Lochblende hindurch und das gesamte Lichtbündel trifft auf den Detektor.
Befindet sich das Messobjekt jedoch nicht im Brennpunkt, wird das von der Objektivlinse fokussierte Licht nicht in einem Punkt gebündelt. Der Laserstrahl ist an der Blende nicht mehr fokussiert, und der Lichtpunkt an der Lochblende vergrößert sich. Damit wird auch die Lichtmenge, die durch die Lochblende hindurchgeht und auf den Detektor trifft, geringer.
Ein Laserscanning-Mikroskop erkennt an der Intensität des vom Detektor gemessenen Lichts, ob sich das Messobjekt im Brennpunkt befindet.
Ein solches optisches System, bei dem die Lochblende und der Detektor so angeordnet sind, das es der Brennweite des Objektivs entspricht, wird als konfokale Optik bezeichnet. Man spricht bei dem Messverfahren daher auch von konfokaler Mikroskopie.
(Bildbereich ~17 x 13 mm; Höhe ~2 mm)
Fokusvariationen (Grad der Unschärfe in Bildern) werden in qualitativ hochwertigen Bildern erkannt, die von einer hochauflösenden Farbkamera erfasst wurden. Das Objektiv wird im optimalen Bewegungsabstand, der anhand der Tiefenschärfe bestimmt wird, von unten nach oben bewegt. Das 3D-Profil wird gemessen und zeigt auch die Höhe des Messobjekts an der Position, an der es im Brennpunkt ist. Liegt das Messobjekt im Brennpunkt, weisen die Bilder je nach Kontrast tendenziell größere Helligkeitsunterschiede auf als die Helligkeit benachbarter Pixel. Umgekehrt haben unscharfe Bilder kleinere Helligkeitsunterschiede zwischen benachbarten kontrastierenden Pixeln. Die Aufzeichnung der Objektivposition an dem Punkt mit dem größten Helligkeitsunterschied ermöglicht die Bestimmung der Höheninformation des Messobjekts. Die Position des Objektivs wird mithilfe des integrierten Linearmaßstabs überwacht, um die Höheninformationen des Messobjekts mit noch höherer Genauigkeit zu erfassen. Während der Messung des 3D-Profils können Bilder, in denen das Messobjekt scharf gestellt ist, überlagert und zusammengefügt werden, um ein scharfes Gesamtbild zu erzeugen.
Anwendungsbeispiele aus der Praxis für die optische Profilometrie
Technische Spezifikationen & Leistungsmerkmale
Unser Labor ist mit modernster Messtechnik ausgestattet, um eine breite Palette an Aufgaben, Probengeometrien und Materialien abzudecken:
- Weißlicht-Interferometrie
- Konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie
- Fokusvariation
| Parameter | Leistungswerte / Kapazität |
|---|---|
| Vertikale Auflösung | bis zu 0,1 nm (WLI) |
| Laterale Auflösung | bis zu ~0,2 µm |
| Max. Messbereich (lateral) | Mehrere cm² (durch Stitching-Verfahren) |
| Max. Stufenhöhe | im Millimeter-Bereich messbar |
| Probenbeschaffenheit | Feststoffe (Metalle, Kunststoffe, Keramik, Glas, Halbleiter) |
| Messumgebung | Umgebungsbedingungen (kein Vakuum erforderlich) |
FAQ - Häufige Fragen zu Labor Analysen mittels Optischer Profilometrie
Im Gegensatz zur taktilen Messung (mit einer Tastnadel) arbeitet die optische Profilometrie berührungslos. Dadurch entstehen keine Kratzer auf empfindlichen Oberflächen, und es können selbst weiche oder klebrige Materialien sowie feinste Strukturen im Nanometerbereich ohne Verfälschung vermessen werden.
Durch den Einsatz der Weißlicht-Interferometrie erzielen wir eine vertikale Auflösung von bis zu 0,1 nm. Damit lassen sich selbst extrem glatte Oberflächen (z. B. Optiken oder polierte Metalle) hochpräzise charakterisieren und Rauheitsparameter nach ISO 25178 und ISO 4287 (ISO 21920) zuverlässig bestimmen.
Ja. Je nach Probenbeschaffenheit wählen wir das passende Verfahren. Während die Weißlicht-Interferometrie ideal für spiegelnde Oberflächen und Schichtdicken ist, eignet sich die konfokale Mikroskopie hervorragend für Materialien mit unterschiedlichen Reflexionseigenschaften.
In der Regel nicht. Da die Messung unter Umgebungsbedingungen stattfindet, müssen die Proben weder leitfähig beschichtet (wie bei der REM-Analyse oft nötig) noch in ein Vakuum geschleust werden. Die Untersuchung ist somit vollständig zerstörungsfrei und zeiteffizient.
