Laserscanning-Mikroskop

Das 3D Laserscanning-Mikroskop vereint dank des Triple Principle Integrated drei Messverfahren in einem System. Je nach Anwendungsfall können ein konfokaler Laser, Fokusvariation und Weißlichtinterferometrie zum Einsatz kommen. Dies ermöglicht hochpräzise Messungen und Analysen beliebiger Messobjekte per Knopfdruck.

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Modellreihe VK-X3000 - 3D Laserscanning-Mikroskop

Das 3D Laserscanning-Mikroskop der Modellreihe VK-X3000 verwendet drei verschiedene Messprinzipien in einem Gerät vereint, je nach Anwendungsfall können ein konfokaler Laser, Fokusvariation und Weißlichtinterferometrie zum Einsatz kommen. Dies ermöglicht die Durchführung hochpräziser Messungen und Analysen verschiedener Messobjekte mit einer maximalen Auflösung von 0,01 nm. Eine schnelle Erfassung von Messbereichen bis zu 50 × 50 mm, selbst bei handtellergroßen Messobjekten oder solchen mit großen Höhenunterschieden, ist möglich. Dies ermöglicht eine schnelle Analyse sowohl der Gesamtform als auch spezifischer Bereiche. Auch schwierige Materialien, wie beispielsweise mit transparenten und spiegelnden Oberflächen, können schnell, mit hoher Genauigkeit und großflächig gemessen werden. Dieses 3D Laserscanning-Mikroskop kann Messobjekte unabhängig von der Vergrößerung, Oberflächenrauheit und -beschaffenheit (transparenten/spiegelnde Oberflächen) messen.

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Ein 3D Laserscanning-Mikroskop verwendet He-Ne-Gaslaser oder Halbleiterlaser als Lichtquelle für mikroskopische Untersuchungen. Die Mikroskope, die ein konfokales optisches System verwenden, werden als konfokale Mikroskope bezeichnet. Sie werden zum Messen, Betrachten und Analysieren von 3D-Profilen und der Oberflächenrauheit verwendet.

3D Laserscanning-Mikroskope können das 3D-Profil eines Messobjekts mit hoher Auflösung erfassen. Als Lichtquelle zur Bilderfassung kann ein Laser aber auch eine Lampe oder eine LED dienen, je nach benötigter Lichtintensität. 3D Laserscanning-Mikroskope der Modellreihe VK-X3000 verwenden einen Laserstrahl und eine Lochblende, um das Messobjekt zu erfassen. Hierbei wird das Prinzip der konfokalen Mikroskopie wie unten beschrieben angewendet.

Das Prinzip der konfokalen Lasermikroskopie

Das von der Laserlichtquelle mit einer Halbleiter- oder Gasröhre emittierte Laserlicht wird von der Objektivlinse im Brennpunkt fokussiert. Das in diesem Brennpunkt positionierte Messobjekt wirft an seiner Oberfläche das Laserlicht 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 das Lichtaufnahmeelement trifft (z. B. PMT, CCD und Fotodiode). Der in Richtung Lichtaufnahmeelement fokussierte Strahl geht durch die Lochblende hindurch und das gesamte Lichtbündel trifft auf das Lichtaufnahmeelement.
Befindet sich das Messobjekt nicht im Brennpunkt, wird das von der Objektivlinse fokussierte Laserlicht 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 das Lichtaufnahmeelement trifft, geringer. Ein Laserscanning-Mikroskop erkennt an der Intensität des vom Lichtaufnahmeelement reflektierten Lichts, ob sich das Messobjekt im Brennpunkt befindet.
Ein solches optisches System, bei dem die Lochblende und das Lichtaufnahmeelement an einer Position angeordnet sind, die der Brennweite des Objektivs entspricht, wird als konfokale Optik bezeichnet. Das Detektionsprinzip wird dementsprechend als „Prinzip der Konfokalität“ bezeichnet.

Abtastmethode bei der konfokalen Lasermikroskopie

Einige typische, in Laserscanning-Mikroskopen verwendete Abtastverfahren sind das Galvanometer-Abstastverfahren, das AOM-Verfahren (akustooptischer Modulator) und das Nipkowscheibenverfahren.

Galvanometer-Abtastverfahren:
Die Umlenkspiegel für das Laserlicht sind am Ende eines Servomotors montiert. Über den Servomotor werden die Winkel der Spiegel verstellt, was zur Folge hat, dass das Laserlicht entlang der X- und Y-Achse abtastet. Dieser Ansatz kann zwar eine hohe Bildqualität erzeugen, aber das Abtasten braucht Zeit.
AOM-Verfahren (akustooptischer Modulator):
Ein AOM ist ein akustooptischer Modulator aus Glas, an dem ein piezoelektrisches Element befestigt ist. Wird an dieses Element ein elektrisches Signal gelegt, entstehen Ultraschallwellen. Diese Wellen brechen das Laserlicht, das durch das akustooptische Medium geht. Die Abtastgeschwindigkeit ist zwar hoch, aber diese Methode hat den Nachteil, dass die Bilder zu Verzerrungen neigen.
Nipkowscheiben-Verfahren:
Eine Scheibe mit einer oder mehreren Reihen von Lochblenden, die spiralförmig zur Kante hin verlaufen, wird gedreht. Die Lichtstrahlen, die durch die Lochblenden hindurchgehen, tasten die Messobjektoberfläche ab. Während mit dieser Methode eine vergleichsweise hohe Bildqualität erzielt werden kann, ist die Betrachtung von Messobjekten mit geringen Reflexionseigenschaften schwierig.

Abtastverfahren, die in Kombination mit 3D Laserscanning-Mikroskopen verwendet werden

In den letzten Jahren sind moderne Laserscanning-Mikroskope, die mehrere unterschiedliche Messprinzipien kombinieren, zunehmend in den Mittelpunkt des Interesses gerückt. Durch den gezielten Einsatz verschiedener Messprinzipien wie Weißlichtinterferometrie und Fokusvariation können die Stärken der einzelnen Verfahren vollständig genutzt werden. Dadurch ist es möglich, mit einem einzigen Gerät eine Vielzahl von Messobjekten zu messen und zu analysieren, unabhängig von deren Material, Form oder Oberflächenbeschaffenheit. Die 3D Laserscanning-Mikroskope der Modellreihe VK-X3000 von KEYENCE integrieren neben dem bereits erwähnten konfokalen Laserverfahren auch die folgenden Verfahren in einem einzigen Gerät. So ermöglichen sie eine hochpräzise, hochauflösende Messung und Analyse von Messobjekten - sowohl bei hoher als auch bei niedriger Vergrößerung.

Das Prinzip der Weißlichtinterferometrie:
Bei der Weißlichtinterferometrie wird mithilfe eines CMOS-Elements oder eines anderen Bildsensors ein Lichtinterferenzmuster betrachtet, aus dem das 3D-Profil errechnet wird. Unter Verwendung eines Interferometrie-Objektivs, in das ein Referenzspiegel eingebettet ist, wird weißes Licht von einer weißen LED oder einer anderen Lichtquelle auf den Referenzspiegel (Referenzfläche) und das Messobjekt (Messfläche) emittiert. Die Interferenz zwischen dem reflektierten Licht erzeugt ein Interferenzmuster mit einer 1/2-Wellenlängen-Kontur, die auf dem Profil der Messobjektoberfläche basiert. Hierbei dient der Referenzspiegel als Referenz. Dieses Interferenzmuster wird mit einer hochauflösenden Farbkamera erfasst und berechnet, um den Ort des maximalen Intensitätspunktes zur Messung der Oberflächenrauheit zu erhalten.

A: Referenzspiegel B: Objektivlinse C: Strahlenteiler D: Messobjekt

Das Prinzip der Fokusvariation:
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.

Vorteile von Laserscanning-Mikroskopen

3D Laserscanning-Mikroskope eignen sich zur Messung und Analyse einer Vielzahl von Messobjekten ohne die Notwendigkeit eines Vakuums. Dies ermöglicht zuverlässiges Scannen und Messen von 3D-Profilen sowie vollfokussierte Betrachtungen bei hoher Vergrößerung und hoher Tiefenschärfe.

Konfokale Laserscanning-Mikroskope bieten vollfokussierte Betrachtungsbilder mit hoher Tiefenschärfe als auch hochpräzise 3D-Profilmessungen. Durch die kombinierten Möglichkeiten zur vergrößerten Betrachtung und zur Messung, stellen sie Hybridgeräte dar. Laserscanning-Mikroskope der Modellreihe VK-X3000 verfügen über eine einfache Bedienung, Messobjekte verschiedenster Größen und Materialen können problemlos ohne Vakuum, in Farbe und bei Raumtemperatur betrachtet werden. Die Notwendigkeit zur Vorbearbeitung von Messobjekten entfällt. All diese Faktoren tragen zu einer präzisen Analyse des Messobjekts bei. So können mit diesen Mikroskopen beispielsweise Oberflächen-, Innen- und Bodenschichten von durchsichtigen Messobjekten betrachtet und die Dicke von Folien gemessen werden.

Die Ausstattung eines 3D Laserscanning-Mikroskops mit mehreren verschiedenen Messprinzipien kann die Mess- und Analysemöglichkeiten noch erweitern. Durch die Kombination verschiedener Messprinzipien wie Weißlichtinterferometrie und Fokusvariation, können die Herausforderungen der einzelnen Verfahren dank der Vorteile anderer Verfahren in einem einzigen Gerät überwunden werden.

3D Laserscanning-Mikroskope können je nach Messobjekt oder Messanforderungen Limitationen im Bereich der vertikalen Auflösung und/oder der Scan-/Messgeschwindigkeit ausweisen. Die Weißlichtinterferometrie kann die vertikale Auflösung bei jeder Vergrößerung stabil halten. Weißlichtinterferometer zeichnen sich durch ihre hohe Scangeschwindigkeit und großflächige Messung bei niedrigen Vergrößerungen aus. Sie bieten so einen stabilen Betrieb bei hohen und niedrigen Vergrößerungen. Die 3D Laserscanning-Mikroskope von KEYENCE setzen drei integrierte Messprinzipien ein: konfokaler Laser, Weißlichtinterferometrie und Fokusvariation, wodurch zuverlässiges Abtasten der Z-Achsen-Fokuspositionen ermöglicht wird. Dadurch finden sie Anwendung für eine breite Palette von Objekten, unabhängig von Form, Material, Reflexionsgrad oder Transparenz.

3D Laserscanning-Mikroskope können durch die Variationsmöglichkeiten der Vergrößerung für unterschiedliche Messungen eingesetzt werden. Niedrige Vergrößerungen können das Oberflächenprofil des gesamten Messobjekts mit einem breiten Sichtfeld erfassen, während hohe Vergrößerungen die Rauheit der Messobjektoberfläche berührungslos analysieren können.

Ausgestattet mit konfokalem Laser, Weißlichtinterferometrie und Fokusvariation können die 3D Laserscanning-Mikroskope von KEYENCE das Oberflächenprofil des gesamten Messobjekts mit einem breiten Sichtfeld erfassen. Zudem können hochauflösende Daten von kleinsten, für das menschliche Auge nicht sichtbaren Merkmalen erfasst werden. Dies trägt zur zuverlässigen Erfassung der Oberflächenrauheit bei. Messungen und Analysen können flexibel auf allen Skalen vom Millimeterbereich bis hin zu Messobjekten in der Größenordnung von Mikro- und Nanometern durchgeführt werden. Durch die Komnination mehrerer Messverfahren in einem Gerät benötigen 3D Laserscanning-Mikroskope wenig Mess- und Analysezeit. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass sie eine zentrale Verwaltung der Daten ermöglichen.

Anwendungsbereiche von 3D Laserscanning-Mikroskopen

Messung der Oberflächenrauheit von Haarlinien und hochglanzpolierten Oberflächen

Die Oberflächenrauheit hat viele standardisierte Parameter; je mehr Parameter enthalten sind, desto komplizierter wird die Messung. Auch erfordern viele Parameter mehr Zeit zur Auswertung. Die Quantifizierung allein reicht für eine Beurteilung und i.O./n.i.O.-Prüfungen nicht aus, zudem können Qualitätskontrollen eine Herausforderung darstellen. Die 3D Laserscanning-Mikroskope der Modellreihe VK-X3000 von KEYENCE können die Oberflächen von Messobjekten mit hoher Auflösung abtasten und quantitative 3D-Messungen liefern. Die Messergebnisse können i.O./n.i.O.-Prüfungen unterzogen werden, indem sie anhand von 42 Rauheitsparametern über mehrere Proben hinweg verglichen werden. Die Oberflächenrauheit wird quantifiziert und die Rauheitsverteilung kann in Diagrammen dargestellt werden. Dies ermöglicht die Quantifizierung von Unterschieden in Material, Oberfläche, Textur, Haptik und anderen Erscheinungsmerkmalen.

Gleichzeitiger Vergleich von Betrachtungsbild und Profil sowie Aufnahme von hochauflösenden Bildern mit hoher Tiefenschärfe

3D Laserscanning-Mikroskope erfassen während der Messung Daten zur Intensität des reflektierten Laserlichts. Diese Daten werden verwendet, um ein Bild der Oberflächenbeschaffenheit des Messobjekts zu erfassen. Die 3D Laserscanning-Mikroskope der Modellreihe VK-X3000 sind zusätzlich zum Lichtaufnahmeelement (PMT) für den Laser mit einer Farb-CMOS-Kamera ausgestattet, mit der gleichzeitig auch Farbinformationen des Messobjekts erfasst werden können. Laserbilder haben eine sehr hohe Auflösung. Da die Bilder durch Überlagerung der im Fokus befindlichen Bereiche erzeugt werden, können außerdem sehr präzise Betrachtungsbilder aufgenommen werden. Durch die Überlagerung der Farbinformationen aus dem Farb-CMOS auf das hochauflösende Laserbild kann ein tiefenscharfes Farbbild erzeugt werden. Somit können Farbbilder mit hoher Tiefenschärfe und hochpräzise Profilmessungen mit einem einzigen Gerät erfasst werden.

Messen großer Messobjekte

Die 3D Laserscanning-Mikroskope der Modellreihe VK-X3000 sind so aufgebaut, dass man das Mikroskop in einen Messkopf und eine Basis aufteilen kann. Dies bedeutet, dass sie für die Nutzung an großen Messobjekten mit einem größeren Objekttisch kombiniert werden können. Dadurch ermöglicht das 3D Laserscanning-Mikroskop Anwendungen für viele verschiedene Messobjekte - unabhängig ihrer Größe.

Häufig gestellte Fragen zu 3D Laserscanning-Mikroskopen

Die 3D Laserscanning-Mikroskope der Modellreihe VK-X3000 sind einfach zu bedienen, vor allem dank der AI-Scan-Funktion. Der Bediener kann die Messung starten, indem er das Messobjekt platziert und auf eine Schaltfläche klickt. Zuverlässige Messungen werden durch fortschrittliche Algorithmen erreicht. Sie gewährleisten eine zuverlässige Erkennung der reflektierten Lichtintensität, eine automatische Anpassung der empfangenen Lichtintensität je nach Oberflächenbedingungen und die Messung komplexer Merkmale durch Verwendung mehrerer Scanoptionen.

Die maximale Vergrößerung der 3D Laserscanning-Mikroskope der Modellreihe VK-X3000 beträgt 28800× (mit einer 23-Zoll-Vollbildanzeige). KEYENCE bietet eine breite Produktpalette von Spezialobjektiven von 2,5× bis 150× an. Sie können so das für Ihre Zwecke am besten geeignete Objektiv auswählen, wie beispielsweise eines mit großem Arbeitsabstand, das mehr Spielraum zum Platzieren von Messobjekten bietet.

Die 3D Laserscanning-Mikroskope der Modellreihe VK-X3000 verwenden ein Firmenlizenzsystem, das die Nutzung der Software auf mehreren Computern ermöglicht. Dies bedeutet, dass Sie die Software auf allen Computern im Büro installieren können, auch wenn Sie nur ein 3D Laserscanning-Mikroskop besitzen. Die Software kann auch per Fernzugriff genutzt werden und unterstützt so das Arbeiten von zu Hause und bei Geschäftsreisen den Zugriff von anderen Büros oder Hotels aus. Der sofortige Austausch von Daten zwischen den zuständigen Mitarbeitern erleichtert eine schnelle Projektabwicklung.

Auf dieser Website finden Sie alles zum Thema Rauheit: Die Definition der Oberflächenrauheit, einschlägige Terminologie, Rauheitsparameter wie Ra und Rz und die Vor- und Nachteile verschiedener Messgeräte.

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Modellreihe VK-X LASERSCANNINGMIKROSKOP: LEITFADEN FÜR EINSTEIGER

Die Prinzipien und Eigenschaften von 3D Laserscanning-Mikroskopen werden von Grund auf erläutert. Eine Pflichtlektüre sowohl für Einsteiger in die Arbeit mit 3D Laserscanning-Mikroskopen als auch für langjährige Anwender, die sich über die neuesten Technologien informieren möchten.

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