Physik Instrumente

Piezoaktoren sorgen für scharfen Blick

| Autor / Redakteur: Friedrich Schenk, Steffen Arnold, Ellen-Christine Reiff / Kathrin Schäfer

Die PIFOC-Z-Antriebe können sehr klein und steif gebaut werden. Sie reagieren mit kurzen Ansprechzeiten und positionieren durch die gute Führung auch bei verhältnismäßig großen Verfahrwegen bis 100 oder sogar 400 µm sehr genau.
Die PIFOC-Z-Antriebe können sehr klein und steif gebaut werden. Sie reagieren mit kurzen Ansprechzeiten und positionieren durch die gute Führung auch bei verhältnismäßig großen Verfahrwegen bis 100 oder sogar 400 µm sehr genau. (Bild: Fraunhofer IPT)

Viele großflächige Objekte müssen zur Qualitätskontrolle auf winzige Details untersucht werden, die nur unter dem Mikroskop erkennbar sind. Hochdurchsatz-Mikroskopiesysteme liefern hochauflösende Bilder. Piezoaktoren als Antriebe in ihren echtzeitfähigen Autofokus-Systemen spielen dabei eine Schlüsselrolle.

In Biotechnologie oder Pharmazie kennt man das Problem: Bei großflächigen Proben dauern mikroskopische Aufnahmeprozesse bei hohen Vergrößerungen oft sehr lange. Bis zu mehrere Zehntausend Einzelaufnahmen müssen erstellt und ausgewertet werden. Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT hat einen neuen Aufnahmeprozess entwickelt, mit dem großflächige Objekte in Sekundenschnelle mikroskopiert werden können.

Messen On-the-Fly für hohe Bildraten

Dabei bewegt der Tisch das Objekt im Gegensatz zum herkömmlichen „Stop-and-Go“-Betrieb kontinuierlich mit konstanter Verfahrgeschwindigkeit während der Aufnahme. Die Probe kann dadurch mit sehr hohen Bildraten – je nach Kamera mit mehr als 100 fps – digitalisiert werden. Da das Objekt dabei nur extrem kurz mit einem Blitz beleuchtet wird, ist die Aufnahme zudem frei von Bewegungsunschärfe. Der Scanprozess wird verkürzt und ist mit einem echtzeitfähigen Datenhandling und Bildverarbeitungsschritten kombiniert. Selbst rechenintensive Aufgaben wie Stitching-Prozesse laufen nahezu ohne Verzögerung ab. Einzelaufnahmen lassen sich nahtlos zum Gesamtbild zusammenfügen, noch während die Messung läuft.

Während des kontinuierlichen Scannens muss der Fokus entsprechend nachgeregelt werden. Denn die Oberflächentopologie überschreitet die Schärfentiefe eines Objektivs bei Weitem – in der Biotechnologie aufgrund der Unebenheiten der spritzgegossenen Kunststoff-Mikrotiterplatten. Die Oberfläche kann nur dann scharf abgebildet werden, wenn der Fokus rechtzeitig nachgeregelt wird. Für mikroskopische Aufnahmen aus der Bewegung ist also eine echtzeitfähige Autofokusfunktion erforderlich; der Fokus muss präzise und dynamisch in Richtung der optischen Achse justiert werden.

Piezobasierte Antriebssysteme für die Autofokussierung

Diese Aufgabe übernehmen piezobasierte Antriebssysteme. Mit einem Stellweg von bis zu etwa 500 µm sind sie für die Autofokusanwendungen gut geeignet, wobei sie Schrittmotoren im Hinblick auf Genauigkeit und vor allem Dynamik deutlich überlegen sind. Darüber hinaus haben Piezoantriebe aber noch eine ganze Reihe weiterer Eigenschaften, von denen die Mikroskopie profitiert: Piezoelektrische Materialien wandeln elektrische Energie direkt in mechanische um und umgekehrt. Für die Positionierung von Bedeutung ist die Bewegung, die entsteht, wenn eine elektrische Spannung an ein piezoelektrisches Material angelegt wird. Aktoren, die auf diesem Piezoeffekt basieren, bewegen sich mit Auflösungen im Sub-Nanometerbereich bei hoher Dynamik und mit Scanfrequenzen bis zu mehreren hundert Hertz. Da die Bewegung auf kristallinen Effekten beruht, gibt es keine rotierenden oder reibenden Teile; Piezoaktoren sind dadurch praktisch wartungs- und verschleißfrei.

Die PIFOC-Z-Antriebe von Physik Instrumente, die das Fraunhofer IPT in seinen Hochgeschwindigkeitsmikroskopen einsetzt, bieten für solche Anwendungen die besten Voraussetzungen. Sie können sehr klein und steif gebaut werden. Dadurch reagieren sie mit kurzen Ansprechzeiten und positionieren durch die gute Führung auch bei verhältnismäßig großen Verfahrwegen bis 500 µm sehr präzise. Die spielfreie und hochgenaue Festkörperführung sorgt für eine hohe Fokusstabilität. Fein positioniert werden kann so im Bereich unter einem Nanometer.

Wiederholgenauigkeit und kurze Einschwingzeit sind wichtig

Die Anforderungen an die Genauigkeit sind für Piezosysteme in der beschriebenen Anwendung jedoch eher mäßig, da lediglich genauer positioniert werden muss als die Schärfentiefe des Objektivs. Wichtig sind allerdings die Wiederholgenauigkeit und die kurze Einschwingzeit von weniger als 10 ms. Somit verhindert der Piezo-Antrieb, dass das Objekt bei hohen Scangeschwindigkeiten aus dem Fokus läuft. Zusammen mit Direktmetrologie, kapazitativen Sensoren und Digitalcontrollern erreichen die Piezoantriebe hohe Linearitäten mit maximal 0,06 Prozent Abweichung. Die kapazitiven Sensoren messen direkt und berührungslos den bewegten Teil der Mechanik. Weder Reibung noch Hysterese beeinträchtigen die Messung. Die Objektiv-Position lässt sich genau dem jeweiligen Einzelbild zuordnen.

Neue Möglichkeiten für die Mikroskopie unter industriellen Bedingungen

Das IPT nutzt zur Ansteuerung einen Digital-Controller E-709 mit Linearisierungsalgorithmen, der einfach über eine analoge Schnittstelle an das Gesamtsystem angebunden werden kann. Auch die Antriebe selbst ließen sich mit ihrem Schnellverschlussadapter gut integrieren. Nach dem Einschrauben des Adapters in den Revolver wird der Antrieb darin in der gewünschten Ausrichtung befestigt. Da der Objektivpositionierer selbst nicht gedreht werden muss, ist die Kabelführung unproblematisch. Für Anwendungen, in denen ein besonders großer freier optischer Durchgang erforderlich ist, gibt es eine Variante mit 29 mm freier Apertur im Gewindeeinsatz. Damit erschließen sich in der Mikroskopie unter industriellen Bedingungen völlig neue Möglichkeiten – Piezoantriebe haben dazu beigetragen.

Die Autoren: Friedrich Schenk ist Wissenschaftlicher Mitarbeiter beim Fraunhofer IPT. Steffen Arnold arbeitet als Leiter „Markt und Produkte“ bei Physik Instrumente (PI). Ellen-Christine Reiff ist Fachjournalistin beim Redaktionsbüro Stutensee.

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