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Mikro-Inspektionssystem mit Autofokus

Die allgegenwärtige Miniaturisierung von Bauteilen und Geräten stellt immer höhere Anforderungen an die Kontrolle und Vermessung derselben. Immer höher auflösende Kameras und Optiken werden hierzu benötigt. Die hohe Auflösung der Objektive führt dabei zu sehr geringen Schärfentiefen und erfordert in vielen Fällen eine automatische Fokussierung.
Um kleine Strukturen im Bereich weniger Mikrometer abzubilden oder kleinste Partikel mit Abmessungen unter 1µm detektieren zu können, werden hochauflösende Objektive benötigt, die in der Lage sind, diese kleinen Strukturen auf dem Sensor abzubilden. Eine höhere Auflösung bei Objektiven geht dabei stets einher mit einer gesteigerten Öffnung – der numerischen Apertur – des Objektivs. Die Schärfentiefe verringert sich allerdings drastisch und erfordert in vielen Fällen eine automatische Fokussierung – meist Autofokus genannt -, um Variationen in der Objektposition ausgleichen zu können. Im Falle des 5x-Objektivs aus dem mag.x system 125 erstreckt sich die wellenoptisch berechnete Schärfentiefe gerade einmal über ±7µm. Für traditionelle Mikroskope sind Fokuseinheiten, die auf Piezoantrieben basieren, seit vielen Jahren verfügbar. Dabei wird das Objektiv in die Fokuseinheit eingeschraubt und diese wiederum am Mikroskop montiert. Derartige Standardkomponenten sind in der Welt der Inspektionsobjektive bislang nicht bekannt. Deshalb hat automatische Fokussierung in der industriellen Bildverarbeitung oft zu großem Aufwand geführt, wenn diese erforderlich war.

Zwischen Mikroskop und Inspektionsobjektiv

Das neue System schließt mit seinem Aufbau und Eigenschaften die Lücke zwischen Mikroskopen und Inspektionsobjektiven. Zum einen erreicht es mit einer Objekt-Auflösung von unter 1µm Regionen, die bislang klassischen Mikroskopen vorbehalten waren. Zum anderen können erstmals Sensoren mit einer Diagonale von bis zu 57mm genutzt werden, die in der industriellen Bildverarbeitung aufgrund ihrer Vorteile bei Geschwindigkeit, Signal-Rausch-Verhältnis und Auflösung weit verbreitet sind. Gleichzeitig wurde das optische Konzept der Mikroskope übernommen und dieses in eine industrietaugliche kompakte Mechanik verpackt (Bild 1). Der klassische Mikroskopaufbau mit Objektiv (das nach unendlich abbildet), Tubuslinse (die das Bild auf den Sensor fokussiert) und koaxiale Auflichtbeleuchtung (die im unendlichen Strahlengang eingespiegelt wird) bietet auch für die Fokussierung große Vorteile, da das Objektiv entlang der optischen Achse bewegt werden kann, ohne andere optische Parameter wie z.B. die Vergrößerung zu verändern. Das gleiche Prinzip wird auch bei klassischen Mikroskopen verwendet. Für das mag.x system 125 musste allerdings die Fokuseinheit komplett neu entwickelt werden, da die Objektive deutlich größer und schwerer sind als die bekannten Mikroskopobjektive. Höheres Gewicht und größere Außenabmessungen wurden nötig, um das bis zu 3fach größere Objektfeld mit gleichzeitig höherer Auflösung und Kontrast im Vergleich zu Standard-Mikroskopobjektiven zu erreichen. Das Piezo-Modul ermöglicht nun die exakte Fokussierung mit einer Genauigkeit im nm-Bereich und einem Hub von 400µm. Der gesamte Hub wird in gerade einmal 210msec durchfahren.

Von Fokus zu Autofokus

Die Fokussierung des Objektivs ist nur eine Hälfte von Autofokus. Um von Fokus zu Autofokus zu kommen, muss das System erkennen, ob das Objekt im Fokus ist oder nicht. Dafür gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten:

  • • Bilderkennung und Suche des maximalen Kontrastes: Dieses Verfahren ist kostengünstig, aber langsam und mit Zeilensensoren nicht möglich.
  • • Sensorik, die z.B. per Lasertriangulation die Objektposition erfasst: Dieses Verfahren ist schnell und universell, aber aufgrund der zusätzlichen Bauteile auch teurer.

Das mag.x system 125 ermöglicht beide Lösungswege. Um die Positionsmessung per Laser sogar am Ort der Bildaufnahme zu ermöglichen (Through-the-lens-AF), wurde eine weitere Basiseinheit entwickelt, die einen universellen Port aufweist. An diesen können kommerziell verfügbare Autofokus-Sensoren montiert werden. Bild 2 zeigt den Strahlengang des AF-Lasers in diesem Fall.

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