Fachbeitrag

Kompaktes Laser-Rastermikroskop

Mikroscannerspiegel ermöglicht kompaktes Laser-Rastermikroskop für den mobilen Einsatz
Bild 2: Optischer Aufbau des Scanning Photon Microscopes.

Dr. Jens Knobbe*), Thomas Egloff*), Dr. Heinrich Grüger*)

  1. Fraunhofer Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS), Maria-Reiche-Straße 2, 01109 Dresden


In vielen Anwendungsbereichen ist die Lasermikroskopie mit ihren verschiedenen Varianten heutzutage eine etablierte Methode zur Untersuchung unterschiedlichster Proben. Dabei werden die zu erfassenden Objekte von einem fein fokussierten Laserstrahl abgerastert und das mit der Probe in Wechselwirkung getretene Licht von einer Empfängeroptik gesammelt und auf einen geeigneten Detektor geführt. Aus der Kenntnis der Position des Laserstrahls auf der Probe und den jeweils zugeordneten Detektorsignalen wird anschließend ein Bild der Probe rekonstruiert.

Solche Laser-Rastermikroskope sind in der Regel relativ große und komplexe Geräte, die für den Betrieb in einer Laborumgebung vorgesehen sind. Für einige Applikationen sind jedoch kleine, robuste Geräte, deren Einsatz nicht auf eine Laborumgebung beschränkt ist, wünschenswert. Hier setzt das Fraunhofer IPMS mit der Entwicklung seines Scanning Photon Microscopes (SPM) an. Dieses Mikroskop funktioniert im Prinzip wie ein klassisches Lasermikroskop, besitzt jedoch als Kernelement einen ebenfalls am Fraunhofer IPMS entwickelten Mikroscannerspiegel. Dieses in Silicium-Mikromechanik hergestellte MEMS-Bauelement ermöglicht die für das Abrastern einer Probe notwendige Ablenkung des Laserstahls. Zusätzlich gestatten die kleinen Abmessungen dieses Bauelements einen kompakten und robusten Aufbau. Bild 1 zeigt ein erstes Demonstrationssystem des SPM, in dem neben dem optischen Aufbau auch die zur Gerätesteuerung benötigte Elektronik enthalten ist.

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Funktionsprinzip

Der Mikroskop-Demonstrator verfügt zunächst nur über grundlegende Funktionen. So können Bilder von Proben, die Licht spiegelnd oder diffus reflektieren, aufgenommen werden. Durch manuelles Einfügen einer Blende in den Strahlengang kann der Anwender zwischen der Bildaufnahme im Hell- oder Dunkelfeld wählen. Die laterale optische Auflösung ist mit ca. 10 µm derzeit allerdings noch relativ gering. Das aus 1000 x 1000 Bildpunkten bestehende Objektfeld weist demnach eine Größe von 10 x 10 mm auf.

Der optische Aufbau des Mikroskops ist in Bild 2 und Bild 3 gezeigt. Das Licht einer Laserdiode wird zunächst kollimiert auf den Scannerspiegel geführt. Danach passiert es einen Strahlteiler und wird von einem telezentrischen Objektiv auf das Objektfeld fokussiert. Nach einer Wechselwirkung mit der Probe, z.B. einer einfachen Streuung, durchläuft das Licht das Objektiv in umgekehrter Richtung und wird über den Strahlteiler auf einen Detektor geführt. Aus den digitalisierten Ausgangssignalen des Empfängers und der Kenntnis der momentanen Spiegelstellung wird dann per Software ein Bild der Probe rekonstruiert. Zur eindeutigen Zuordnung von Intensitätssignal und Ort auf der Probe wird eine optische Positionserkennung für den Mikroscannerspiegel verwendet. Diese ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht in Bild 2 gezeigt.

Lissajou-Figuren

Der elektrostatisch resonant angetriebene Mikrospiegel schwingt in zwei orthogonalen Richtungen und erzeugt auf diese Weise eine als Lissajous-Figur bezeichnete komplexe Bewegung des Laserspots auf dem zu messenden Objekt. Da das Objektfeld demnach nicht zeilenweise abgerastert wird, ist ein spezieller Entfaltungsalgorithmus für die Zuordnung eines Bildpunktes der Lissajous-Figur zu einem Punkt eines gängigen Bildformats mit orthogonalem Pixelraster erforderlich. Dieser Algorithmus ist in der Auswertungssoftware integriert. Alle relevanten Daten werden über eine USB-Schnittstelle an einen PC übertragen und dort ausgewertet.

Funktionale Erweiterungen zu dem jetzt aufgebauten Demonstrationssystem sind ohne grundlegende Probleme möglich. Die Verwendung eines Lasers als Lichtquelle eröffnet, wie bei klassischen Lasermikroskopen auch, die Möglichkeit der Fluoreszenzanregung von Farbstoffen in der Probe. Hierzu muss lediglich die Wellenlänge des anregenden Lichts auf den Fluoreszenzfarbstoff angepasst sein und entsprechende Fluoreszenzfilter in den Detektorstrahlengang eingefügt werden. Diese Erweiterungen erfordern nur einen vergleichsweise geringen konstruktiven Aufwand. Auch kann die derzeitige laterale Auflösung von ca. 10 µm bei 1000 x 1000 Bildpunkten durch eine Verbesserung der Abbildungsqualität des Objektivs noch deutlich gesteigert werden.

Anwendungen

Mit dem derzeitigen Demonstrationssystem wurden Bilder von Objekten in einfacher Reflexion aufgenommen. Bild 4 zeigt eine mit dem SPM gewonnene Aufnahme eines Mikroscannerspiegels des Fraunhofer IPMS.

Aufgrund der geringen Abmessungen des Mikroscannerspiegels kann der optische Strahlengang und somit auch das gesamte Bauvolumen des Mikroskops im Vergleich zu konventionellen Systemen deutlich verkleinert werden. Neben diesem Potenzial zur Miniaturisierung bringt die Verwendung des IPMS Mikroscannerspiegels noch weitere Vorteile mit sich. So zeichnet sich das Gerät grundsätzlich durch eine hohe Robustheit aus. Die große Stabilität und Langlebigkeit des in Silicium-Technologie hergestellten MEMS-Bauelements verleihen dem Mikroskop eine geringe Empfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen, insbesondere aber eine geringe Stoßempfindlichkeit, im Vergleich zu anderen scannenden Lasermikroskopen. Aufgrund der parallelen Herstellung von einer Vielzahl von Mikroscannerspiegeln in einem Arbeitsgang ergibt sich ein großer Kostenvorteil bei hoher Präzision und Reproduzierbarkeit. Diese wertvollen Eigenschaften ermöglichen neue Applikationen und insbesondere einen mobilen Einsatz des Geräts.
Als eines dieser Anwendungsfelder sei hier beispielhaft die zerstörungsfreie Materialprüfung genannt. Dort werden für Mikrorissprüfungen oft fluoreszierende Flüssigkeiten verwendet. Bisherige Verfahren stützen sich dabei häufig auf eine visuelle Kontrolle. Dazu wird auf das zu prüfende Werkstück eine mit einem Fluoreszenzfarbstoff versehene Flüssigkeit aufgetragen und anschließend abgewischt. Die nach diesem Vorgang in kleinen Rissen verbliebene Flüssigkeit wird zur Fluoreszenz angeregt und visuell erfasst. Solche Prüfungen finden oft in einem vergleichsweise rauen Arbeitsumfeld statt. Mit Hilfe eines entsprechend angepassten SPMs kann hier die Rissstruktur besser sichtbar gemacht werden und somit zu einem schnellen Erkenntnisgewinn beitragen. Weitere Anwendungen sind in den Lebenswissenschaften zu finden, da auch hier oft mit Methoden der Fluoreszenzmikroskopie gearbeitet wird.

Fazit

Am Fraunhofer IPMS wurde unter Verwendung eines Mikroscannerspiegels ein neues Laser-Rastermikroskop entwickelt. Es zeichnet sich durch einen sehr robusten und kompakten Aufbau aus und ist damit für den mobilen Einsatz in raueren Arbeitsumgebungen gut geeignet. Mit dem derzeitigen Demonstrationssystem wurden Bilder von Objekten in einfacher Reflexion mit einer lateralen Auflösung von ca. 10 µm aufgenommen. Eine funktionelle Erweiterung des Systems für Anwendungen in der Fluoreszenzmikroskopie und eine weitergehende Miniaturisierung sind Gegenstand der derzeitigen Weiterentwicklung. Dadurch werden künftig neue Anwendungen z.B. in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung und den Lebenswissenschaften ermöglicht.

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