Czy pomiary wykonywane za pomocą twojego laserowego mikroskopu konfokalnego są wiarygodne? Przekonaj się o tym samodzielnie, wykonując 9-punktowy test pomiarów
Skaningowe laserowe mikroskopy konfokalne (SLCM) stały się popularnym narzędziem kontrolnym zarówno w laboratoriach badawczych, jak i na liniach produkcyjnych. Dzięki laserowemu źródłu światła o długości fali 405 nm, mikroskop SLCM łączy informacje o wysokiej rozdzielczości uzyskiwane w poziomie (XY ~200 nm) i w pionie (Z ~10 nm), w ciągu kilku sekund tworząc trójwymiarowy (3D) obraz. Skala pomiarowa mikroskopu SLCM pokrywa się ze skalą dostępną w mikroskopach optycznych świetlnych (OLM), skaningowych mikroskopach elektronowych (SEM) i mikroskopach sił atomowych (AFM). W celu przygotowania próbki do wykonywania pomiarów przy użyciu mikroskopu SLCM wystarczy spełnić jedynie minimalne wymagania. Mikroskopy te umożliwiają także badanie próbek o różnorodnych kształtach, w tym próbek o dużych rozmiarach. Do obsługi mikroskopu SLCM nie są potrzebne żadne materiały eksploatacyjne, a system wymaga minimalnej konserwacji.Wszystkie te zalety sprawiają, że mikroskop SLCM jest użytecznym narzędziem kontrolnym.W poniższej tabeli przedstawiono różnice między tymi czterema technikami.
Porównanie skaningowej laserowej mikroskopii konfokalnej, skaningowej mikroskopii elektronowej, mikroskopii sił atomowych i mikroskopii optycznej świetlnej
| SLCM | SEM | AFM | OLM | |
|---|---|---|---|---|
| Przygotowanie próbki | Nie | Tak | Tak | Nie |
| Obraz 3D | Tak | Nie | Tak | Nie |
| Materiały eksploatacyjne | Nie | Nie | Tak | Nie |
| Rozdzielczość w płaszczyźnie XY | ~100 nm | 10 nm | 0,1 nm | ~300 nm |
| Rozdzielczość w osi Z | ~10 nm | ND. | 0,1 nm | ND. |
| Próżnia | Nie | Tak | Nie | Nie |
| Prędkość obrazowania | Szybka | Szybka | Wolna | Szybka |
Jako technika metrologiczna o wysokiej rozdzielczości, mikroskopia SLCM charakteryzuje się wysoką dokładnością i powtarzalnością pomiarów w całym polu widzenia. Jednym ze sposobów na potwierdzenie dokładności i powtarzalności systemu jest regularne otrzymywanie certyfikatu kalibracji, zwykle raz do roku. Zazwyczaj wymaga to zaangażowania inżyniera serwisu posiadającego certyfikat A2LA w celu przetestowania urządzenia z wykorzystaniem normy kalibracji identyfikowalnej przez instytut NIST. Stan systemu można jednak sprawdzać co tydzień lub co miesiąc przy użyciu prostego 9-punktowego testu pomiarów (Ryc. 1).
Ryc. 1. Aby zapewnić wiarygodne pomiary, należy zmierzyć cechę w 9 punktach w polu widzenia. Niebieskie punkty określają pozycję każdego pomiaru.
Metoda ta jest prosta. Najpierw należy wybrać łatwo rozpoznawalną cechę lub znaną próbkę. Następnie należy wykonać pomiary cechy w 9 różnych miejscach w polu widzenia, co przedstawiono na Ryc. 1. Uzyskane dane należy zapisać, po czym wykonać pomiary ponownie, dokładnie w tych samych miejscach. Jeśli zniekształcenia sferyczne systemu są dobrze skalibrowane w całym polu widzenia, wszystkie otrzymane dane powinny być spójne (dopuszczalne są niewielkie różnice).
Poniżej omówiono przykład testu pomiarów wykonywanego przy użyciu naszego skaningowego laserowego mikroskopu konfokalnego LEXT™ OLS5000. Do testu wykorzystaliśmy stalową płytkę z wgłębieniem (Ryc. 2a), ale zalecamy, aby w miarę możliwości używać wzorcowej próbki kalibracyjnej. Wykonaliśmy pomiar w najniżej położonym punkcie wgłębienia (Ryc. 2b). Następnie przesuwaliśmy wgłębienie do 9 różnych pozycji w polu widzenia mikroskopu i wykonywaliśmy ten sam pomiar w każdej z tych pozycji. Średnia głębokość wynosiła 6,976 µm, a różnica między głębokością minimalną a maksymalną wynosiła 0,267 µm. Odchylenie standardowe wynosiło 9,6%, co świadczy o tym, że system zapewniał dokładne, powtarzalne pomiary.
 (a) |  (b) |
Ryc. 2. a) wgłębienie na próbce stali oraz b) wykres przedstawiający pomiar między najwyżej położonym punktem na krawędzi a najniżej położonym punktem wgłębienia.
Aby udowodnić, jak ważne jest stosowanie właściwego układu optycznego, wymieniliśmy dedykowany do wykonywania pomiarów obiektyw 50X LEXT, który jest dostarczany z mikroskopem OLS5000, na dostępny od ręki obiektyw firmy innej niż firma Olympus. Zmienność pomiarów wzrosła z 0,267 µm do 0,911 µm, a odchylenie standardowe wzrosło aż do 34,7%! Tak znaczna zmienność wyników pomiarów tej samej cechy świadczy o tym, że obiektyw dostępny od ręki generował niewiarygodne dane. Dla większości laboratoriów metrologicznych wyniki te byłyby nieakceptowalne. Udowodniono tym samym znaczenie tego szybkiego testu, który ułatwia kontrolę działania systemu.
 (a) |  (b) |
Ryc. 3. Dane dotyczące wysokości (a) uzyskane przy użyciu dedykowanego obiektywu Olympus LEXT i (b) przy użyciu dostępnego od ręki obiektywu ogólnego przeznaczenia wyprodukowanego przez firmę inną niż firma Olympus.
W zastosowaniach metrologii w badaniach i branży produkcji kluczowe znaczenie ma dokładność i powtarzalność pomiarów. Rozsądne jest przeprowadzanie profesjonalnej walidacji systemu raz do roku, ale wykonywanie takiej kontroli z częstotliwością cotygodniową lub comiesięczną nie jest praktyczne. Na szczęście przedstawiona tutaj technika 9-punktowego testu pomiarów to szybki i łatwy sposób na potwierdzenie, że system nadal generuje spójne dane. Dodanie tej techniki do standardowej procedury samodzielnej weryfikacji działania systemu może ułatwić zapobieganie znacznej zmienności danych. Ponadto test ten udowadnia również, jak ważne jest wybranie najwyższej jakości obiektywów przeznaczonych do stosowania ze skaningowym laserowym mikroskopem konfokalnym.
Powiązane treści
Biała księga: podstawowe zasady działania laserowych mikroskopów skaningowych
