Mittels optischer Profilometrie kann die Topographie einer Oberfläche berührungslos mit einer vertikalen Auflösung bis in den Nanometerbereich und einer lateralen Auflösung im Bereich von bis zu ~0,2 nm untersucht werden.

  • 2D und 3D Abbildung und Vermessung von Oberflächentopographien
  • Messung von Rauheitsparameter :
    • 2D-Analysen: ISO 4288 (Ra, Rq, ...)
    • 3D-Analysen: ISO 25178 (Sa, Sq, ...)
  • Ausmessen von Stufenhöhen, z.B. zur Bestimmung von Schichtdicken
  • Verschiedene berührungslose und damit zerstörungsfreie Messverfahren zur Wahl:
    • Konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie
    • Weißlicht-Interferometrie
    • Fokusvariation
  • Messung unter Umgebungsbedingungen
  • Schichtdicken Messungen
Details zur Profilometrie

Mittels optischer Profilometrie kann die Topographie einer Oberfläche berührungslos mit einer vertikalen Auflösung bis in den Nanometerbereich und einer lateralen Auflösung im Bereich von bis zu ~0,2 µm untersucht werden.

Funktionsprinzip

Das bei nanoAnalytics eingesetzte Profilometrie-Verfahren wird als Weißlicht-Profilometrie bezeichnet. Es handelt sich dabei um ein berührungslos arbeitendes, optisches Verfahren. Das Profilometer kann dabei in zwei verschiedenen Betriebsmodi verwendet werden. Dem sogenannten PSI-Modus (Phase-shifting interferrometry) und dem VSI-Modus (vertical-scanning interferometry). Beide werden im Folgenden kurz beschrieben.


Weißlicht Profilometrie

Abb.: Schmiertaschen auf einem Stahlblech

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.

Konfokale Laserscanning Mikroskopie

Stomata auf einer Blattunterseite (Bildausschnitt 97 x 73 µm² ).

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.

Fokusvariation

Profilometeranalyse eines gefrästen Objektes
(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.


Erreichbare Auflösung

Abb.: Oberflächenstruktur eines Qualitätspapieres

1.) Laterale Auflösung

Die laterale Auflösung ist im Wesentlichen durch die optischen Eigenschaften der eingesetzten Objektive und das Kamerasystem bestimmt.
Sie liegt typischerweise im Bereich von bis zu 0,2 µm.

 

2.) Vertikale Auflösung

Die erreichbare vertikale Auflösung hängt von dem gewählten Messmodus, dem verwendeten Objektiv sowie von der Probengeometrie ab.
Man kann die Genauigkeit grob wie folgt abschätzen:

Betriebsmodus Vertikale Auflösung
Weißlicht-Interferometrie 0,1 nm
Konfokale Lasermikroskopie bis zu
~ 200 nm
Fokusvariation bis zu
~ 200 nm

 

Technische Daten

Verfügbare Mess-Modi:

  • Konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie
  • Weißlicht-Interferometrie
  • Fokusvariation

Laterale Auflösung: bis zu ~0,2 µm
Vertikale Auflösung: bis zu 0,1 nm
Messbereich Lateral: ~ cm²
Max. messbare Stufenhöhe: ~ mm

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