Prüfung im Industrietakt

Wissenschaftlern vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT in Aachen ist es gelungen, erstmals eine mikroskopische 100-Prozent-Prüfung im industriellen Umfeld zu realisieren. Entscheidend für den Erfolg des Projekts war das piezobasierte Antriebssystem PIFOC® von PI.

Mit dem neuen Hochdurchsatz-Verfahren des IPT lassen sich jetzt auch großflächige Objekte in Sekundenschnelle mikroskopieren.

Herkömmliche Aufnahmeprozesse dauern bei hohen Vergrößerungen von beispielsweise Platinen und Mikrotiterplatten häufig so lange, dass 100-Prozent-Prüfungen aus Zeitgründen entfallen müssen und nur Stichproben untersucht werden können.

Vor allem Unternehmen aus der Biotechnologie und der Elektronikfertigung profitieren von dem neuen Verfahren.

Die Idee der Wissenschaftler: Der Tisch bewegt das Objekt im Gegensatz zum herkömmlichen „Stop-and-Go“-Betrieb kontinuierlich mit konstanter Verfahrgeschwindigkeit während der Aufnahme. Außerdem kombinierten sie den zeitoptimierten Scanprozess mit einem echtzeitfähigen Datenhandling und Bildverarbeitungsschritten. Selbst rechenintensive Aufgaben wie Stitching-Prozesse laufen nahezu ohne Verzögerung ab.

Einzelaufnahmen lassen sich nahtlos zum Gesamtbild zusammenfügen, noch während die Messung läuft. Das verdanken die Wissenschaftler und Physiker vor allem der hohen Rechenleistung des Systems und der Software, aber auch die eingesetzte Hardware trägt dazu bei. Sie muss während des kontinuierlichen Scannens den Fokus entsprechend nachregeln.

Schneller Autofokus sichert Echtzeitfähigkeit

Die Oberflächentopologie überschreitet die Schärfentiefe eines Mikroskop-Objektivs bei Weitem, sei es in der Biotechnologie aufgrund der Unebenheiten der spritzgegossenen Kunststoff-Mikrotiterplatten oder in der Elektronikfertigung bei unterschiedlich hohen Bauteilen auf der Platine oder Verkippungen des gesamten Wafers. Die Oberfläche kann nur dann scharf abgebildet werden, wenn der Fokus im Bereich von ca. 300 µm nachgeregelt wird. Für dreidimensionale Aufnahmen ist also eine echtzeitfähige Autofokusfunktion erforderlich; der Fokus muss präzise und dynamisch in Richtung der optischen Achse justiert werden.

Diese Aufgabe übernimmt der piezobasierte Objektivscanner PIFOC®. Mit einem Stellweg von bis zu etwa 500 µm ist er für die Autofokusanwendungen im Hinblick auf Genauigkeit und vor allem Dynamik Schrittmotoren deutlich überlegen. PI baut die PIFOC®-Z-Antriebe sehr klein und steif.

Der Vorteil: Sie reagieren mit kurzen Ansprechzeiten und positionieren durch die stabile Führung auch bei den verhältnismäßig großen Verfahrwegen sehr präzise. Die spielfreie und hochgenaue Festkörperführung sorgt für eine hohe Fokusstabilität.

Piezosysteme stehen für Genauigkeit, aber in dieser Anwendung spielen sie eine andere Stärke aus. Wichtig sind hier Wiederholgenauigkeit und eine kurze Einschwingzeit von weniger als 10 ms. Somit verhindert der piezobasierte Antrieb, dass das Objekt bei hohen Scangeschwindigkeiten aus dem Fokus gerät.

Zusammen mit Direktmetrologie, kapazitativen Sensoren und Digitalcontrollern erreicht der PIFOC höchste Linearitäten mit maximal 0,06 % Abweichung. Die kapazitiven Sensoren messen direkt und berührungslos den bewegten Teil der Mechanik. Weder Reibung noch Hysterese beeinträchtigen die Messung. Die Objektiv-Position lässt sich genau dem jeweiligen Einzelbild zuordnen.

Mit dem neuen System gelingt erstmals eine mikroskopische 100-Prozent-Prüfung, die mit dem Takt der industriellen Fertigung schritthalten kann.

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Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Friedrich Schenk, Research Associate at Fraunhofer IPT

Objektivscanner einschrauben und ausrichten

Wichtig für den Anwender: Das PIFOC® Positioniersystem lässt sich mit einem Schnellverschlussadapter einfach integrieren. Nach dem Einschrauben des Adapters in den Revolver, befestigt der Einrichter den Antrieb dann in der gewünschten Ausrichtung.

Die Kabelführung ist unproblematisch, da der Objektivpositionierer selbst nicht gedreht wird. Für Anwendungen, in denen ein besonders großer freier optischer Durchgang erforderlich ist, gibt es eine Variante mit 29 mm freier Apertur im Gewindeeinsatz.

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