Wofür wird Laser-Scanning-Mikroskopie eingesetzt?

Die Laser-Scanning-Mikroskopie ist eine Art der Lichtmikroskopie, bei der die Probe von einem Laserstrahl gerastert wird. Heute kommen dazu in der Regel konfokale Mikroskope [Confocal Laser Scanning Microscope (CLSM)] zum Einsatz. Unter Laser-Scanning-Mikroskopie versteht man also jene Mikroskopie-Techniken, bei denen ein Laserstrahl verwendet wird, um eine Probe Punkt für Punkt zu scannen. Entscheidende Einsatzgebiete der Laser-Scanning-Mikroskopie befinden sich in der Oberflächentopografie und in erweiterten Bildgebungsverfahren.
Sie wird zum Beispiel genutzt, um topographische Strukturen zu charakterisieren und die Oberflächenrauheit zu bewerten – und das völlig berührungslos. Das ermöglicht einen detaillierten Einblick in die Struktur von Materialien. So können durch die Laser-Scanning-Mikroskopie zum Beispiel die Dicke von Beschichtungen und Dünnfilmen zerstörungsfrei bestimmt und materialographische Proben umfassend charakterisiert werden. Das wird durch das Erstellen von 3D-Profilen möglich, was folgendermaßen funktioniert.

Laser-Scanning-Mikroskopie mit System
bei Quality Analysis

Charakterisierung von Oberflächentopografien

Mit dem Laser-Scanning-Mikroskop werden Oberflächentopografien von 3D-Mikrostrukturen bis in den Nanometer-Bereich analysiert und vermessen. Metalle, Polymere, Halbleiter und Mehrschichtsysteme und viele andere Materialien können dreidimensional dargestellt und die Oberflächenrauheit berührungslos bewertet werden.

  • Darstellung und Vermessung von Materialverschleiß sowie Volumenmessungen der Vertiefungen
  • Untersuchung von Oberflächen additiv gefertigter Bauteile oder Keramikbauteilen
  • Messung von Schichtdicken und Schichten zusammengesetzter Polymere
  • Bewertung der Qualität und Funktionsfähigkeit von Oberflächen
  • Messung und Analyse von 3D-Profilen und der Oberflächenrauheit

Wie funktioniert die Laser-Scanning-Mikroskopie?

Die Laser-Scanning-Mikroskopie nutzt Laserlicht in einem konfokalen Strahlengang, wobei die Strahlen nur aus einem bestimmten Bereich stammen. Hierbei wird eine Lochblende verwendet, um zu verhindern, dass Licht von Probenschichten vor oder hinter der Schärfeebene reflektiert wird und in das Objektiv gelangt. Diese Methode gewährleistet, dass ausschließlich Informationen aus dem Fokusbereich verarbeitet werden, was zu optisch hochwertigen Bildern bester Auflösung führt. Störungen durch Streulicht werden also eliminiert. Durch dieses Verfahren entstehen definierte optische Schnitte der Probe, aus denen anschließend ein dreidimensionaler Bildstapel erstellt wird. Die Erstellung von 3D-Stacks erfolgt, um eine umfassende Analyse der Probe in drei Dimensionen zu ermöglichen.

Analyse der Oberflächenrauheit mit dem Laser-Scanning-Mikroskop

Entstehung des Bildes in der Laser-Scanning-Mikroskopie

In einem Laser-Scanning-Mikroskop erfolgt die Erstellung des Bildes nicht durch eine Gesamtaufnahme, sondern durch das zeilenweise Rastern (Scannen) des Präparats. Dieser Vorgang, der in Hertz gemessen wird, variiert in der Geschwindigkeit. In der modernen konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopie sind Geschwindigkeiten von 200 bis 2.000 Bildzeilen pro Sekunde üblich. Während sich der Laser innerhalb einer Bildzeile kontinuierlich bewegt, erfolgt die Zuordnung eines gescannten Punktes der Probenoberfläche zu einem bestimmten Pixel des vollständigen Bildes über die sogenannte Pixel Dwell Time. Das bedeutet, dass innerhalb einer definierten Zeitspanne ein Punkt einem bestimmten Pixel zugeordnet wird. Diese präzise Steuerung ermöglicht nicht nur die Erstellung von zweidimensionalen Bildern, sondern bildet auch die Grundlage für die Generierung von detaillierten und hochqualitativen 3D-Bildern in der Laser-Scanning-Mikroskopie.

Was ist besonders an Laser-Scanning-Mikroskopen?

Eine der Besonderheiten ist die Fähigkeit zur Erstellung von dreidimensionalen Bildern, was eine präzise Analyse der räumlichen Struktur von Zellen, Geweben oder anderen Probenstrukturen ermöglicht. Die außergewöhnlich hohe Auflösung erlaubt es, feinste Details auf der Mikroskala sichtbar zu machen, während gleichzeitig hochpräzise Messungen auf der Nanometerskala durchgeführt werden können.
Ein weiterer Vorteil liegt in der berührungslosen Analyse, die sicherstellt, dass empfindliche Proben während des Bildgebungsvorgangs keinen physischen Kontakt mit dem Mikroskop haben. Die schnelle Analysegeschwindigkeit, kombiniert mit der Vielseitigkeit in der Anwendbarkeit, ermöglicht es, verschiedenste Proben in Echtzeit zu untersuchen.
Zusätzlich sind Laser-Scanning-Mikroskope in der Lage, Objekte mit großen Höhenunterschieden zu analysieren, was besonders in der Erforschung unebener Oberflächen von großer Bedeutung ist. Insgesamt bieten Laser-Scanning-Mikroskope eine umfassende Palette fortschrittlicher Bildgebungsfunktionen, die in verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen wertvolle Einblicke und Erkenntnisse ermöglichen.

Welche anderen Laser-Scanning-Mikroskope gibt es?

Neben den hier behandelten konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopen gibt es noch weitere Modelle. Nur noch von historischer Bedeutung sind die Flying-Spot-Mikroskope, die zwar ebenfalls das Licht in einem kleinen Punkt gebündelt über die Probe leiten, jedoch nicht mit einer Lochblende ausgestattet sind. Heute gibt es eine Reihe von Weiterentwicklungen des üblichen CLSM, die jedoch häufig nicht als separate Geräte existieren, sondern als Zusatzfunktionen in CLS-Mikroskopen zum Einsatz kommen. Hier sind insbesondere die STED- und 4Pi-Mikroskope zu nennen. Beide Verfahren liefern eine bessere Auflösung als das herkömmliche Laserscanning. Das Multiphotonen-Mikroskop kommt hingegen ohne Lochblenden aus, ohne dass es zu Schärfeeinbußen durch Streulicht kommt.

Die Laser-Scanning-Mikroskope in der praktischen Anwendung

Schadensanalyse:

Messung von Verschleißspuren

Die LSM kommt in der Schadensanalyse zum Beispiel zur Messung der Tiefe von Verschleißspuren zum Einsatz. Ebenso kann mittels der Laser-Scanning-Mikroskopie die Oberflächenrauheit kleinster Zahnflanken-Flächen ermittelt werden.

Materialeigenschaften:

Optimierung von Werkstoffen

Die Laser-Scanning-Mikroskopie findet auch in der Untersuchung von Oberflächentopografien bei der Charakterisierung von Werkstoffen Anwendung. Durch die präzise Erfassung der Oberflächenstrukturen in 3D können detaillierte und hochauflösende Bilder generiert werden, die Einblicke in die mikroskopischen Merkmale von Materialoberflächen bieten.

Mikrorauheit:

Qualitätssicherung von Bauteilen

Ein Beispiel ist die Analyse von Mikrorauheit metallischer Bauteile. Die LSM ermöglicht die visuelle Darstellung der Rauheit sowie die quantitative Messung von Oberflächenprofilen. So lässt sich der Rauheitswert ermitteln. Dieser ist wichtig bei der Qualitätssicherung von Bauteilen, da die genaue Charakterisierung der Oberflächentopografie auf mikroskopischer Ebene Informationen über den Fertigungsprozess und die Materialeigenschaften liefert. Durch die Erstellung von präzisen 3D-Bildern unterstützt die Laser-Scanning-Mikroskopie somit die Entwicklung und Optimierung von Werkstoffen für industrielle Anwendungen.

Kurz zusammengefasst: Laser-Scanning-Mikroskopie

Die Laser-Scanning-Mikroskopie ist ein Lichtmikroskopisches Verfahren, bei dem ein Objekt Zeile für Zeile von einem Laser abgerastert wird. Dadurch und durch den Einsatz von Lochblenden ergeben sich Bilder mit besonders hoher Auflösung.

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