OptoNet MASTER+ Signet

Firmenbingo 2.0

Im Rahmen des Master+ Programmes findet nach jeder Mastertour ein Firmenbingo statt. Im Grunde geht es darum zu der „gezogenen“ Abbildung eines Produktes, eines Firmenlogos o.Ä. einen Bericht zu verfassen. Auf der nun mehr zweiten Abbildung ist ein farblich codiertes Oberflächenprofil dargestellt, welches allem Anschein nach mit einem Mikroskop optisch erfasst wurde. Das lässt vermuten, dass es sich bei dem dargestellten Verfahren um die Konfokale-Mikroskopie handelt.


Ein Anbieter innovativer 3D-Messtechnik im Raum Jena stellt die im Jahre 2009 als High-Tech-Unternehmen in Jena gegründete confovis GmbH dar. Bereits im Jahre 2010 wurden die ersten Geräte an Industriekunden und Forschungseinrichtungen verkauft. Dabei haben die Verantwortlichen festgestellt, dass ein großer Bedarf an Komplettlösungen am Markt besteht. Deshalb bietet das Unternehmen seit 2012 komplette 3D-Messsysteme an, welche Nikon Mikroskop-Komponenten sowie die abgestimmte Scan-Technologie von confovis beinhalten. Für komplette Systemlösungen steht auch breites Portfolio an Positioniersystemen zur Verfügung (darunter u.a. Piezo-Aktuatoren oder Wegmesssensoren. Neben den Standardsystemen bietet confovis zusätzlich Portalsysteme für den Automotive-Bereich sowie für den Werkzeug -und Maschinenbau an.
Das Grundprinzip, auf dem all diese Systeme beruhen, wurde bereits 1957 von Marvin Minksy zum Patent angemeldet. Nach der Anmeldung gingen etliche Jahre ins Land, bis sich schließlich durch die Erfindung des Lasers (heute auch LED’s als Lichtquelle) als geeignete Lichtquelle dieses Verfahren zu einer Standard-Mikroskopie-Technik in Industrie und Forschung entwickelte. Die hauptsächliche Anwendung findet sich in der Biologie, der Medizin und in den Materialwissenschaften. So wird die konfokale Mikroskopie vor allem zur Bestimmung dreidimensionaler Oberflächentopografien meist technischer Objekte verwendet, wie in Abb. 1. dargestellt.

Übliche Lichtmikroskope ermöglichen durch eine zweistufige, vergrößernde Abbildung eine Detailbetrachtung eines Objekts. Bei dieser Abbildung weist die Optik des Mikroskops eine endliche Schärfentiefe auf. Das heißt, das Bild des Objekts ist eine Überlagerung aus einer scharfen Abbildung der Punkte in der Fokusebene und einer unscharfen Abbildung von Punkten außerhalb der Fokusebene, die aber von dem CCD-Chip noch als „scharf“ erkannt werden. Diese Schärfentiefe verhindert eine Auflösung von Objektdetails in axialer Richtung. Die konfokale Abbildung reduziert diesen Tiefenschärfebereich extrem und ermöglicht auch in axialer Richtung virtuelle optische Schnitte durch das Objekt mit entsprechenden Detailinformationen. Der Trick ist eine Punkt-zu-Punkt-zu-Punkt Abbildung. Dabei wird eine Punktlichtquelle 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. Dadurch wird das Signal durch die Konfokale Blende nicht abgeschattet. Wenn sich nun 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 Punkt-für-Punkt abgetastet werden. Dies wird durch eine rotierende Scheibe realisiert

 

Übliche Lichtmikroskope ermöglichen durch eine zweistufige, vergrößernde Abbildung eine Detailbetrachtung eines Objekts. Bei dieser Abbildung weist die Optik des Mikroskops eine endliche Schärfentiefe auf. Das heißt, das Bild des Objekts ist eine Überlagerung aus einer scharfen Abbildung der Punkte in der Fokusebene und einer unscharfen Abbildung von Punkten außerhalb der Fokusebene, die aber von dem CCD-Chip noch als „scharf“ erkannt werden. Diese Schärfentiefe verhindert eine Auflösung von Objektdetails in axialer Richtung. Die konfokale Abbildung reduziert diesen Tiefenschärfebereich extrem und ermöglicht auch in axialer Richtung virtuelle optische Schnitte durch das Objekt mit entsprechenden Detailinformationen. Der Trick ist eine Punkt-zu-Punkt-zu-Punkt Abbildung. Dabei wird eine Punktlichtquelle 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. Dadurch wird das Signal durch die Konfokale Blende nicht abgeschattet. Wenn sich nun 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 Punkt-für-Punkt abgetastet werden. Dies wird durch eine rotierende Scheibe realisiert (Nipkow-Scheibe).

Eine konsequente Weiterentwicklung dieses Verfahrens stellt die patentierte confovis Technik basierend auf strukturierter LED-Beleuchtung dar. Dabei werden anders als bei konventioneller Konfokal-Mikroskopie keine rotierende Pinhole-Disk oder andere bewegte mechanische Bauteile wie Scanner-Spiegel verwendet. Stattdessen wird die Tiefenselektion durch die Abbildung und anschließende Auswertung einer Sequenz von verschiedenen Beleuchtungsmustern in der Fokusebene gewährleistet. Die Kodierung der schnell geschalteten Lichtquellen erfolgt hierbei über eine spezielle Maske. Innerhalb von Sekunden werden mit Hilfe der hauseigenen Software Messdaten ermittelt, 3D dargestellt und anschließend analysiert. Dabei können mit diesem Verfahren neben Rauheiten, Winkeln, Höhen, Tiefen und Abständen etc. ebenso feine reflektierende Oberflächen gemessen werden. Es bleibt abzuwarten ob die optischen Verfahren die Taktilen in Zukunft gänzlich verdrängen können. Vielleicht ist es die confovis GmbH die mit einer weiteren Innovation den Weg in diese Richtung ebnet.

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