Nikon stellt präzise Schichtdickenmess-Software für Mikroskope vor

Der Messtechnik-Arm des japanischen Kamerariesen Nikon, der optische Instrumente einschließlich industrieller Messmikroskope herstellt, hat ein neues Layer-Thickness-Softwaremodul zu seiner NIS-Elements-Bildplattform hinzugefügt, um Inspektion, Analyse und Berichterstattung von Querschnitts-Schichttiefen sowie Oberflächenmerkmalbreiten zu optimieren. Die Option beschleunigt nicht nur die Qualitätskontrolle durch Semi-Automatisierung verschiedener Funktionen, sondern verbessert auch die Zuverlässigkeit, indem sie das Risiko menschlicher Fehler bei der Merkmalsekennung, Ergebnisinterpretation und numerischen Berechnung reduziert. Anwendungen für die Software finden sich branchen- und wissenschaftsübergreifend, von Fertigung und Materialforschung bis hin zu Medizin und Mineralogie.

Beispiele, die die Wichtigkeit präziser Dickenmessung verdeutlichen, sind in der Massenproduktion allgegenwärtig. In der Automobilindustrie könnte zu wenig Lack auf einem Karosserieblei zu kostspieligen Garantieansprüchen führen, während zu viel Millionen Dollar pro Jahr verschwenden kann. Dasselbe Prinzip gilt in der Lebensmittelindustrie für die relativ teure EVOH-Barriere, die auf Kunststoffverpackungen aufgebracht wird, um Sauerstoffundurchlässigkeit für die Verlängerung der Haltbarkeit verderblicher Produkte zu gewährleisten. Ebenso muss die Breite von Leiterbahnen auf Leiterplatten präzise kontrolliert werden, um Überverbrauch von Kupfer zu vermeiden.

Weitere Anwendungen, bei denen Schichtdickenmessung wichtig ist, umfassen Entkohlungseanalysen in Stahl und anderen Metallen, Thermisches Spritzen oder chemische Abscheidungsanalysen sowie die Prüfung von Haftung oder Oberflächenverschleiß.

Nikon Metrologys NIS-Elements ist eine integrierte Software-Bildplattform, die es ermöglicht, digitale Bilder von einem aufrechten oder invertierten optischen Mikroskop – oder gelegentlich von einem Rasterelektronenmikroskop – zu untersuchen, sodass entscheidende Merkmale mit hoher Präzision analysiert werden können. Bilder können entweder live oder digital gespeichert mit einer hochauflösenden Kamera sein.

Am wichtigsten ist jedoch die Qualität der Optik, mit der das Bild überhaupt erst aufgenommen wird. Dies ist eine Kernkompetenz von Nikon, das insbesondere der einzige Mikroskophersteller ist, der sein eigenes Glas herstellt, anstatt auf Drittanbieter zu vertrauen.

Vier Modi der semi-automatisierten Auswertung

Bisher war die Messung einer Schicht in einem Bild innerhalb der NIS-Elements-Software ein vollständig manueller Prozess, und diese Funktionalität bleibt erhalten. Dabei definiert der Bediener die Schichtgrenzen, wählt gleichmäßig verteilte Punkte über das Sample, nimmt Dickenmessungen an diesen Stellen vor, protokolliert die Werte und berechnet die mittlere Dicke.

Das Layer-Thickness-Softwaremodul fasst diese manuellen Werkzeuge in einem praktischen Modul zusammen, um die Option eines semi-automatisierten Workflows zu bieten. Es nutzt Verarbeitungstechniken basierend auf Bildeigenschaften wie Kontrast, um viele Messfunktionen zu automatisieren. Es ist ideal für die Analyse von Bildern, die durch episkopisches (reflektiertes) Licht von einem nicht-transparenten Querschnittspräparat erzeugt werden, das mit einem chirurgischen Skalpell oder vielleicht einer Säge oder Draht-EDM quergeschnitten wurde. Es ist gleichermaßen anwendbar auf die Analyse eines Bildes, das durch diaskopische (transmittierte) Beleuchtung durch einen extrem dünnen, durchscheinenden Materialslice von einem Mikrotom erzeugt wird.

Die Software verfügt über verschiedene Modi, um lineare, kreisförmige und amorphe Schichten (oder Spuren) zu messen, während ein vierter Modus den Calotest unterstützt, der Beschichtungsdicke durch Analyse kreisförmiger Schichten misst, die durch eine rotierende Schleifkugel an der zu prüfenden Oberfläche freigelegt werden.

Anwendungsmethode

Nachdem ein digitales Bild in NIS-Elements aufgenommen wurde, wird es entweder automatisch kalibriert (bei Mikroskopen mit motorisiertem Objektivrevolver) oder manuell. Wenn das Bild live ist, wird es durch Klicken auf das relevante Mikroskopobjektiv in einer Dropdown-Liste kalibriert. Die Auswahl von „Measure Layers“ in der oberen Menüleiste offenbart die vier Betriebsmodi.

Wird die Option „Linear“ gewählt, steht ein Geradeausrichtungswerkzeug zur Verfügung, um die Schicht horizontal auszurichten. Fünf gleichmäßig verteilte vertikale Vektoren werden generiert, an denen Messungen automatisch vorgenommen werden, wobei die Anzahl der Intervalle vom Bediener geändert werden kann oder die Messung kontinuierlich erfolgen kann. Im „Binary Editor“-Bereich der Applikation ermöglicht ein „Autodetect“-Werkzeug dem Bediener, eine Schicht auszuwählen und ihre Grenzen zu definieren. Ein Schwellenwertbefehl kann angewendet werden, um eine Schicht anhand von Pixelintensität oder Farbe zu unterscheiden.

Der Bediener kann wählen, Einschlüsse im Sample zu ignorieren und die Schicht von oben nach unten zu messen, was für die meisten Anwendungen die beste Wahl ist. Andere Optionen erlauben die Messung des Abstands zwischen einer der Grenzen und dem ersten Loch oder der ersten Lücke, oder des maximalen Abstands zwischen Löchern oder Lücken. Die Analyse verläuft von der linken zur rechten Seite des Bildes und von oben nach unten.

Bevor die Messung stattfindet, ist es oft notwendig, Grenzen anzuwenden, damit die Software nur zwischen zwei vertikal gezeichneten Linien sucht, was es ermöglicht, unrepräsentative Bereiche der Schicht auszuschließen. Ebenso können solche Problemzonen wie signifikante Auswölbungen über oder unter der Schichtgrenze aus dem Bild eliminiert und die Linien dadurch geglättet werden, indem verschiedene Binary-Tools unter dem „Draw“-Befehl ausgewählt und die Anomalien ausgefüllt werden.

Ergebnisse in Millimetern oder Mikrometern, die die gesamte gemessene Schichtlänge über den gewählten ROI (Region of Interest), minimalen, maximalen und mittleren Dicken sowie Standardabweichung angeben, werden automatisch berechnet und die Werte erscheinen unter dem Bild. Die Multiplikation der gemessenen Länge mit der mittleren Breite liefert einen Flächenwert. Der Prozess wird für aufeinanderfolgende Schichten wiederholt, die jeweils vom Bediener benannt und automatisch die Farben Grün, Blau usw. im Bild und im Schichtmessfeld zugewiesen bekommen. Der Benutzer kann alle Standard-Schichtfarben nach Wunsch neu zuweisen.

Enthält das digitale Bild eine kreisförmige Schicht, wären vertikale Vektoren nicht geeignet, da sie die Schicht in schrägen Winkeln messen würden. Die Wahl der Option „Circular“ ermöglicht es dem Bediener, einfach einen Bogen um das Merkmal zu ziehen, dann die Schicht zu konsolidieren und einzufärben. Eine voreingestellte Anzahl radialer Vektorlinien in winkelmäßigen Inkrementen, die an jedem Punkt normal zur Schicht stehen, erscheint automatisch auf dem Bildschirm und definiert, wo Messungen stattfinden.

In Fällen, in denen das Bild eine Schicht amorphen, unregelmäßigen Formen zeigt, ist die Option „General“ verfügbar. „Define Polyline“ wird gewählt, um einen Pfad um die Schicht zu zeichnen, wonach diese konsolidiert und eingefärbt wird, normale Vektoren zum Pfad werden automatisch wie bei einer kreisförmigen Schicht angelegt, und Messungen werden ähnlich durchgeführt.

Informationen zu den Messungen können automatisch als Schichtdickenbericht in Form eines PDFs exportiert werden, das die eingefärbten Schichten und alle Daten zeigt. Alternativ kann der Bericht nach Excel exportiert werden. Entweder ein standardmäßiges Default-Template oder ein vom Kunden definiertes individuelles Template kann mit Ergebnissen befüllt werden.

Fazit

Mit Nikons Layer-Thickness-Softwaremodul werden umfassende Informationen über ein Präparat schneller gewonnen als wenn ein Bediener alle Messungen von Hand durchführt. Je nach Anwendung könnte der verbesserte Workflow zu einer Steigerung der Inspektionsproduktivität um bis zu fünffach für eine gegebene Menge an gesammelten und analysierten Daten führen. Messungen können einfach und schnell über eine Gruppe von Bildern gemittelt werden, die mit demselben Sample assoziiert sind, oder über einen Batch von Samples. Zudem ist der Prozess präziser und wiederholbarer, unabhängig davon, wie viele verschiedene Bediener die Geräte nutzen, und die Reduzierung menschlicher Interpretation verringert das Risiko von Fehlern, die die Qualitätskontrolle beeinträchtigen könnten.

Dieser Artikel wurde von Meghan E. Meinert, Assistant Marketing Manager, The Americas, Nikon Metrology, Inc. (Brighton, MI) verfasst. Weitere Informationen erhalten Sie bei Frau Meinert unter This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., oder besuchen Sie hier .