Fraunhofer-Gesellschaft
Zur optischen 100-Prozent-Qualitätskontrolle hat das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachen, ein High-Speed-Mikroskop (HSM) entwickelt, um mikroskopische Strukturen großflächig in kurzer Zeit zu untersuchen. Die Technik kann bei Proben verschiedenster Art, von Mikroelektronik bis zu Stammzellen, zum Einsatz kommen.
Dabei ist es wichtig, hohe Aufnahmegeschwindigkeiten und geringe auflösbare Strukturgrößen zu vereinbaren. Vergleichbare automatisierte Mikroskope scannen die Proben im „Stop and Go“-Verfahren ab, bei dem sie für jede Position anhalten, den Fokus nachregeln, ein Bild aufnehmen und anschließend weiterfahren. Dieser Prozess benötigt viel Zeit. Im Gegensatz dazu nimmt das HSM die Proben während der Bewegung auf und erzielt somit einen signifikanten Geschwindigkeitsvorteil, weil kein häufiges Beschleunigen und Abbremsen erforderlich ist.
Große Herausforderungen, die zur Realisierung überwunden werden müssen, sind die geringe Tiefenschärfe der Mikroskopie sowie Bewegungsunschärfe. Um trotz der geringen Tiefenschärfe immer scharfe Aufnahmen zu ermöglichen, wurde ein optimiertes Autofokus-Verfahren realisiert, welches das Objektiv immer im richtigen Abstand zu Probe ausrichtet. Die Bewegungsunschärfe wird durch eine sehr kurze, helle Blitzbeleuchtung verhindert.
Das Herz des High-Speed-Mikroskops ist die Steuer-Software, welche alle Teilprozesse wie der Mikroskopansteuerung der Kameratriggerung koordiniert. Dabei muss ein Datenstrom von bis zu 300 Bildern pro Sekunde bei 16 Megapixeln bewältigt werden. Jedes Bild wird dabei direkt durch mehrere Schritte vorverarbeitet, bevor nach Ende der Aufnahme alle Einzelbilder zu einem Gesamtbild zusammengefügt werden. Eine integrierte Bildauswertung erkennt daraufhin je nach Anwendungsfall gewünschte Merkmale und kann so eine Inline-Qualitätskontrolle gewährleisten. Hierbei kommen sowohl klassische Mustererkennungen als auch moderne Deep-Learning-Algorithmen auf Basis von Convolutional Neural Networks (CNN) zum Einsatz.
Im industriellen Kontext kommt das HSM vor allem in der 100-Prozent-Qualitätskontrolle von waferbasierten und elektronischen Mikrobauteilen zum Einsatz. Im biologischen Kontext wird sie vor allem bei der Laborautomatisierung in vollautomatisierten Anlagen, wie z.B. für die Zellforschung, eingesetzt. Durch Individualisierung der Software ist eine Vielzahl von Anwendungen möglich, bei denen gängige Mikroskopie-Verfahren wie Auflicht, Durchlicht, Phasenkontrast oder Polarisation verwendet werden.
Die Basis der meisten High-Speed-Mikroskope bildet ein gewöhnliches Mikroskop, welches durch leistungsfähige Komponenten zu High-Speed-Aufnahmen befähigt wird. Hierdurch können bestehende Systeme kosteneffizient erweitert werden. Das hier vorgestellte System benutzt ein Auflichtverfahren, welches unter anderen zur Kontrolle von Elektronik-Bauteilen und Wafern oder den Materialwissenschaften zum Einsatz kommt.