-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Im Allgemeinen betrifft die Erfindung einen Schneideinsatz und insbesondere ein Verfahren zum zerstörungsfreien Prüfen eines Schneideinsatzes, um eine Beschichtungsdicke des Schneideinsatzes zu messen, indem elektromagnetische Strahlung zum Freilegen jeder Schicht der Beschichtung verwendet wird, worauf ein Messen der Dicke jeder Schicht unter Verwendung kommerzieller MikroskopieTechniken, wie z. B. einer Fokusvariation, einer Kontrasterkennung, einer konfokalen Mikroskopie, einer interferometrischen Mikroskopie, einer bildgebenden interferometrischen Mikroskopie und dergleichen, folgt.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Schneideinsätze mit einer oder mehreren Schichten einer Beschichtung, zum Beispiel einer physikalischen Dünnschicht-Gasphasenabscheidung (PVD), einer chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) und dicken Hartstoffbeschichtungen in Form von ein- oder mehrschichtigen Architekturen sind zum Standardverfahren in der Schneidwerkzeugindustrie geworden, um eine Abnutzungs- und Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen. Bei der Herstellung steht eine Beschichtungsqualität mit verschiedenen Aspekten, wie z. B. einer Dicke, einer Anhaftung am Substrat, einer Härte, einer Oberflächenrauheit, einem optischen Erscheinungsbild, einer Zusammensetzung, einer Mikrostruktur, Eigenspannungen und dergleichen, im Zusammenhang. Je nach ihrer vorgesehenen Anwendung liegt die Dicke von Hartstoffbeschichtungen in der Regel im Bereich von einigen hundert Nanometern bis zu ungefähr 50 Mikrometern. Um beständig eine Beschichtung mit einer bestimmen Dicke zu erzeugen, ist eine gute Steuerung der Abscheidungsrate und anderer Prozessparameter erforderlich. In der Praxis wird die Prozessoptimierung oft durch Versuch und Irrtum oder DOE-Untersuchung vieler Parameter an einem großen Probensatz unterstützt, was eine regelmäßige Durchführung von Schichtdickenmessungen erforderlich macht.
-
Über diese Bedeutung der Beschichtungsdickensicherung ist in der Literatur ausführlich berichtet worden. Abgesehen davon, dass sie ein grundlegender Qualitätsaspekt bei beschichteten Teilen darstellt, beeinflusst die Dicke auch das physikalische, thermische, mechanische, korrosive und tribologische Verhalten des Beschichtungs-Substrat-Systems. Bei mehrschichtigen Beschichtungen wurden diese Eigenschaften mit der Beschichtungsarchitektur, d. h. Anzahl, Verteilung, Proportion, Zusammensetzung und Dicke der einzelnen Teilschichten, in Beziehung gebracht. Des Weiteren sind der Eigenspannungszustand der Beschichtung und ihre Anhaftung am Substrat als von der Dicke abhängige Parameter bekannt. Daher ist die Dickenstetigkeit ein grundlegender Aspekt für eine Qualitätskontrolle für einen Schneideinsatz, der eine einschichtige oder eine mehrschichtige Architektur aufweist.
-
Gegenwärtig gibt es drei Verfahren, die weitgehend zum Messen einer Dicke von ein- und mehrschichtigen Beschichtungsarchitekturen verwendet werden, und zwar: das Kalottenschliffverfahren (Calotte Grinding Method, CGM), die Glimmentladungsspektroskopie (Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy, GDOES) und das metallographische Mikropolieren (Metallographic Micro Polishing, MMP), worauf optische oder Rasterelektronenmikroskopie-Analysen (SEM-Analysen) folgen.
-
Das GDM ist ein mikroabrasives Verfahren, bei dem die Beschichtungsdickenbestimmung auf der Messung der kreisförmigen Vorsprünge einer kalottenförmigen Verschleißnarbe beruht, die durch eine harte Stahlkugel erzeugt wird, welche sich frei an der Probe dreht, bis die Beschichtung perforiert wurde. Eine mikroabrasive Diamantsuspension wird in die Nähe des Kontakts zugeführt, um eine gleichmäßige Oberflächenabnutzung und gut definierte Kanten um die Kalotte herum zu gewährleisten.
-
Die GDOES ist eine fortschrittliche Spektroskopietechnik, die es ermöglicht, chemische Zusammensetzungsprofile als Funktion der Tiefe von einigen hundert Nanometern bis zu ungefähr 50 Mikrometern zu bestimmen. Bei dieser Technik wird die beschichtete Probe (Kathode) in einer Kupferelektrode (Anode) angeordnet und eine Entladung wird zwischen ihnen veranlasst, wodurch eine Erosion (Sputtern) der Probenoberfläche mit einer kontrollierten Rate erzeugt wird. Die freigesetzten Atome werden im Argonplasma angeregt, und wenn sie zu ihrem Grundenergieniveau zurückkehren, werden Photonen emittiert. Diese Photonen werden anschließend gesammelt und an ein optisches Spektrometer gesendet, das aus einer Anordnung von Photovervielfachern besteht, die Elementkonzentrationen als eine Funktion der Intensitäten der Photonenemissionen quantitativ bestimmen. Daher kann die Dicke einer Beschichtung als die Profiltiefe geschätzt werden, an der merkliche Übergänge von höheren zu niedrigeren Atomkonzentrationen der Beschichtungselemente und von niedrigeren zu höheren Konzentrationen der Substratelemente stattfinden.
-
Das MMP stützt sich auf die metallographische Vorbereitung der beschichteten Probe durch Querschnittspolieren, worauf Beschichtungsdickenmessungen unter Verwendung kommerzieller Mikroskopietechniken folgen. Die MMP-Einzelproben werden typischerweise heiß in einem Epoxidharz angebracht, das Mineral- und Glasfüllstoffe enthält, welche für eine optimale Ebenheit und eine ausgezeichnete Schneidhaltigkeit während der Querschnittsaufbereitungen sorgen. Die Schleif- und Polierschritte werden unter Verwendung eines halbautomatischen Probengebers durchgeführt, der auf einer metallographischen Maschine des Scheibentyps installiert ist und eine maximale Gleitgeschwindigkeit von ungefähr 30 mm/s erreicht. Das Planschleifen wird unter Verwendung einer harzgebundenen Diamantschleifscheibe durchgeführt, die unter konstanter Last mit Wasser geschmiert wird, und das Feinschleifen wird unter Verwendung von Schleifpapier in mehreren Schritten vorgenommen.
-
Aufgrund ihrer inhärenten Unterschiede liefert jedes Verfahren Ergebnisse mit verschiedenen Kostenhöhen, Genauigkeitsstufen und Zeitaufwand. Zum Beispiel stellt die hohe Präzision von MMP den Hauptvorteil dieses Verfahrens dar. Jedoch ist die Probenvorbereitung zeitaufwändig, wobei es in der Regel ungefähr vierzig Minuten in Anspruch nimmt, die Probe vorzubereiten und weitere fünfzehn Minuten, um die Beschichtungsdicke zu messen. Die GDOES liefert schnelle Ergebnisse, jedoch sind die Ausrüstungs- und Prüfkosten hoch. Das CGM ist schneller und weniger kostenintensiv.
-
Aufgrund der Zeitdauer, die für jede dieser Techniken erforderlich ist, unterstützen die derzeitigen Techniken lediglich die Forschungs- und Entwicklungsphase des Erstellens der Beschichtungsarchitektur und nicht die Herstellungsphase, in der ein Probenlos von Schneideinsätzen kontinuierlich auf Qualitätskontrolle regelmäßig geprüft werden kann. Wenn eine Uneinheitlichkeit der Dicke der Beschichtung in einem Fertigungslos festgestellt wird, muss das Los außerdem unter Quarantäne gestellt und untersucht werden. Es besteht daher ein Bedarf, ein Verfahren zum Messen der Dicke von einer oder mehreren Schichten einer Beschichtung eines Schneideinsatzes bereitzustellen, das auf eine zügige, kosteneffiziente und zerstörungsfreie Weise durchgeführt werden kann.
-
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
-
Das Problem des Messens der Dicke einer ein- oder mehrschichtigen Beschichtung eines Schneideinsatzes in einem Dauerablaufbetrieb auf eine zügige und kosteneffiziente Weise wird dadurch gelöst, dass eine Quelle elektromagnetischer Energie, wie z. B. ein Pikosekunden- oder Femtosekundenlaser und dergleichen, verwendet wird, um ein geometrisches Merkmal auf der Oberfläche des Schneideinsatzes auszubilden und jede Schicht der Beschichtung freizulegen, und dann die Dicke der einen oder der mehreren Schichten unter Verwendung grundlegender trigonometrischer Techniken gemessen wird.
-
In letzter Zeit entwickelte sich die Femtosekundenlaser-Technologie kommerziell als allgemein akzeptiertes Standard-Arbeitsmodell der Industrie. Bei einer geeigneten Konfiguration weist diese Impulsdauer eine einzigartige Fähigkeit auf, das Material zu ionisieren oder abzutragen, wodurch eine Festphase in eine Gasphase umwandelt wird, ohne dass ein Schmelzen eingeleitet wird. Wenn eine kreisförmige 500 µm-Fläche oder eine Rillenfläche von 1 mm x 500 um auf einem beschichteten Schneidwerkzeug mit einem Laser bestrahlt werden kann, ist es möglich, die Oberfläche zu bearbeiten, ohne die inhärenten Schichten, die die Beschichtung auf einem Substrat bilden, zu beschädigen. In Abhängigkeit von dem erzeugten Wandwinkel der kreisförmigen oder linearen Rille, können beim optischen Messen bei einer hohen Vergrößerung grundlegende trigonometrische Techniken angewendet werden, um die Beschichtungsdicke zu berechnen.
-
Ein Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum zerstörungsfreien Prüfen eines beschichteten Schneideinsatzes (d. h. eines Schneidwerkzeugs), das die Schritte des Abtragens einer Oberfläche eines beschichteten Schneideinsatzes unter Verwendung von ultrakurzen (Femtosekunden-)Laserpulsen umfasst, um ein geometrisches Merkmal auszubilden, ohne die inhärenten Schichten zu beschädigen oder ein Schmelzen einzuleiten. Dann wird der Querschnitt des geometrischen Merkmals optisch vermessen, um die einzelne Schichtdicke und/oder die Gesamtschichtdicke quantitativ zu bestimmen. Das Verfahren der Erfindung kann im Vergleich mit herkömmlichen Verfahren in einer verhältnismäßig kurzen Zeitdauer durchgeführt werden. Daher hat das Verfahren der Erfindung ein sehr hohes Potential dafür, als eine automatisierte Lösung in die Herstellung integriert zu werden. Außerdem kann das geometrische Merkmal in einem Logo, einer Kennmarke und dergleichen versteckt werden.
-
Die Dickenmessung wird unter Verwendung einer geeigneten handelsüblichen Hardware und Software automatisch erfasst und analysiert. Bei richtiger Konfiguration kann das Verfahren der Erfindung Beschichtungsdicken in der Fertigungsanlage als Inline-Messung erfolgen (entweder das gesamte Los oder eine ausgewählte Probengröße). Das geometrische Merkmal kann als ein Schritt beim regulären Verarbeiten des Schneidwerkzeugs ausgebildet werden, was zu einem späteren Zeitpunkt zur Bewertung während einer Kundenbeschwerde oder Prozessüberwachung im Allgemeinen verwendet werden kann.
-
In einem Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum zerstörungsfreien Prüfen eines Schneideinsatzes, der ein Substrat und eine oder mehrere Beschichtungsschichten umfasst, wobei das Verfahren umfasst:
- Verwenden einer Quelle elektromagnetischer Energie, um eine Oberfläche des Schneideinsatzes abzutragen, um ein geometrisches Merkmal auszubilden und einen Querschnitt des Substrats und jeder Schicht der Beschichtung freizulegen, und
- Messen der Dicke jeder Schicht der Beschichtung.
-
In einem Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum zerstörungsfreien Prüfen eines Schneideinsatzes, der ein Substrat und eine oder mehrere Schichten einer Beschichtung umfasst, wobei das Verfahren umfasst:
- Abtragen einer Oberfläche eines Schneideinsatzes durch Verwenden einer Quelle elektromagnetischer Energie, um das Substrat und jede Schicht einer Beschichtung des Schneideinsatzes freizulegen, wodurch ein geometrisches Merkmal auf der Oberfläche des Schneideinsatzes ausgebildet wird, und
- Messen der Dicke jeder Schicht der Beschichtung.
-
Figurenliste
-
Während verschiedene Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht sind, sollten die spezifischen abgebildeten Ausführungsformen nicht so ausgelegt werden, dass sie die Ansprüche einschränken. Es wird angenommen, dass verschiedene Abänderungen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang dieser Erfindung abzuweichen.
- 1 ist eine isometrische Ansicht eines geometrischen Merkmals, wie z. B. einer trapezförmigen Rille, die auf der Oberfläche des Schneideinsatzes unter Verwendung eines Femtosekundenlasers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgebildet wird;
- 2 ist eine Stirnansicht des geometrischen Merkmals 1; und
- 3 ist eine Mikroaufnahme eines Querschnitts eines geometrischen Merkmals, das unter Verwendung eines Femtosekundenlasers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgebildet wurde.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Im Allgemeinen umfasst das zerstörungsfreie Verfahren der Erfindung die folgenden Schritte: 1) Verwenden einer Quelle elektromagnetischer Energie, wie z. B. eines Femtosekundenlasers, und dergleichen, um die Oberfläche des Schneideinsatzes abzutragen, um ein geometrisches Merkmal auszubilden und einen Querschnitt der einen oder der mehreren Schichten einer Beschichtung freizulegen; und 2) Messen der Dicke der einen oder der mehreren Schichten durch Untersuchen des Querschnitts unter Verwendung herkömmlicher Mikroskopietechniken.
-
Eine Technik zum Ausbilden der Rille durch die eine oder die mehreren Beschichtungsschichten besteht im Verwenden elektromagnetischer Energie, wie z. B. eines Kurzpuls-Pikosekundenlasers, eines Kurzpuls-Femtosekundenlasers und dergleichen. Kurzpulslaser erfuhren seit der Einführung der Verstärkung gechirpter Pulse ein sehr schnelles Wachstum sowohl hinsichtlich der Möglichkeiten als auch der Anwendung. Die Entwicklung von Femtosekundenlasern, die ursprünglich durch innovative Grundlagenforschung getrieben wurde, ist heute mit vielen industriellen Mess-, Forschungs- und klinischen Anwendungen verknüpft. Durch Ermöglichen einer Einwirkung auf die Materie in einer kontrollierten Weise auf der Nanometerskala und Gewähren der Möglichkeit der Überwachung von Ereignissen mit der Femtosekundenauflösung haben außerdem die Ultrakurzlaser der Physik, der Chemie und der Biologie Forschungswerkzeuge von unerwarteter Wirksamkeit zur Verfügung gestellt. Das Erzeugen und Manipulieren von Femtosekundenlaserpulsen erfordert die Fähigkeit, die Pulsverlängerung und spektrale Verzerrung zu begrenzen.
-
Eine neue Generation von Femtosekundenlasern entwickelt sich jedoch seit einigen Jahren. Basierend auf mit Ytterbium dotierten Verstärkungsmedien können sie mit einer Diode gepumpt werden, und das Ergebnis sind kompakte, kostengünstige Femtosekundenlaser, die Ausgangsenergien erzeugen können, die höher sind als jene, die mit herkömmlichen TiSa-Lasern erzielt werden. Typische Wellenlängen dieser Laser liegen nahe 1030 und 1050 nm mit einem räumlich Gaußschen Strahlprofil. Die Pulsdauer kann von 500 bis 3000 fs variiert werden und wird mit einem Autokorrelator gesteuert. Der Laser kann mit einer Wiederholungsrate von 1 Hz bis 100 kHz, mit einer maximalen Energie von 1 mJ bei 1 Hz und 38 µJ bei 100 kHz arbeiten. Ein Nachkompressionsmodul ermöglicht es, eine Pulsdauer von unter 100 fs mit einer Energie von 1 µJ bei 100 kHz zu erreichen. Es versteht sich, dass die Erfindung nicht durch konkrete Betriebsparameter, wie z. B. Wiederholungsrate, maximale Energie und Pulsdauer, beschränkt ist, und dass die Erfindung mit beliebigen erwünschten Betriebsparameter, die zum Abtragen der Oberfläche des Schneideinsatzes auf eine zerstörungsfreie Weise hinreichend sind, praktiziert werden kann.
-
Der Laserstrahl (linear polarisiert) wird bei senkrechtem Einfall oder, bei Bedarf, in einem konkreten Winkel auf der Vorderfläche einer beschichteten Probe durch eine plankonvexe Linse oder ein katadioptrisches Objektiv fokussiert. Ein He-Ne-Laser kann für Ausrichtungen verwendet werden. Ein genaues Anordnen der Fokusebene der Probenfläche wird durch eine Präzisionsverschiebungsstufe durchgeführt. Die Messung des fokussierten Strahls wird mit einem Strahlanalysator, der mit einem Bildgebungssystem assoziiert ist, umgesetzt.
-
Das geometrische Merkmal auf der Oberfläche des Schneideinsatzes kann unter Verwendung eines Femtosekundenlasers ausgebildet werden, der von GFH GmbH aus Deggendorf, Deutschland im Handel erhältlich ist. Die Maschine, die Laserquelle und die verschiedenen Verarbeitungsmodule werden mithilfe einer einzelnen und einheitlichen Schnittstelle gesteuert. Dies erlaubt eine intuitive Bedienung der Maschine und ermöglicht es, alle Prozessparameter in Echtzeit zu steuern und zu überwachen. Daher können die Prozessentwicklung und resultierende Anwendungen sehr wirksam und in kurzer Zeit vorgenommen werden.
- Gerätekonfiguration
- Laser: TruMicro 5050
- Wellenlänge λ: 1030 nm
- Leistung: 50 W
- Frequenz: 200 kHz - 800 kHz
- Pulslänge: 900 fs
- Fokussieroptik: f = 100 mm
- Verwendete Parameter
- Wellenlänge λ: 1030 nm
- Leistung: 20 µJ
- Effektive Frequenz: 200 kHz
- Vorschubrate: 1000 mm/s
- Laufzeit: 7 s
-
Unter Bezugnahme auf 1 und 2 besteht ein Aspekt der Erfindung darin, dass das geometrische Merkmal 10 die Form einer Rille, einer Furche, eines Kanals und dergleichen aufweist, die/der eine Unterseite 12 und ein Paar abgewinkelte Seitenwände 14, 16 aufweist. In einer Ausführungsform ist die Rille 10 hinsichtlich der Form trapezförmig mit einer Länge L von ungefähr 300 bis 500 µm, einer Breite W1 an der Oberfläche des Einsatzes von ungefähr 150 bis 200 µm, einer Breite W2 an der Unterseite 12 der Rille 10 von ungefähr 100 µm und einer Tiefe D von ungefähr 50 bis 75 µm, wie in 1 und 2 dargestellt. Fakultativ kann der Schnittpunkt zwischen der Unterseite 12 und den Seitenwänden 14, 16 der Rille 10 mit einem Radius R ausgebildet werden, wie in 2 dargestellt.
-
Es versteht sich, dass die Tiefe D der Rille 10 hinreichend ist, um die einschichtige und/oder mehrschichtige Beschichtung des Schneideinsatzes freizulegen. Idealerweise ist die Tiefe D der Rille 10 um ungefähr 5 bis 10 µm größer als die Gesamtdicke der Beschichtung. Zum Beispiel kann die Tiefe D der Rille 10 ungefähr 50 µm für eine Beschichtung betragen, die eine Gesamtdicke von zwischen ungefähr 30 bis 40 µm aufweist. Außerdem versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf eine trapezförmige Rille beschränkt ist, und dass die Erfindung mit anderen Arten von Rillenformen, wie z. B. einer U-förmigen Rille, einer V-förmigen Rille und dergleichen, praktiziert werden kann.
-
Das geometrische Merkmal, wie z. B. die Rille 10, kann auf der Oberfläche des Schneideinsatzes derart ausgebildet werden, dass die Rille 10 verborgen ist. Zum Beispiel kann die Rille 10 in einem Logo, einem Güteklasseschlüssel, einer Kennmarke oder anderen Zeichen auf der Oberfläche des Schneideinsatzes ausgebildet werden.
-
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht durch das geometrische Merkmal in Form einer Rille beschränkt ist, und dass die Erfindung mit anderen geometrischen Merkmalen, wie z. B. einem kreisförmigen Merkmal, wie z. B. einem runden Hohlraum, und dergleichen, praktiziert werden kann.
-
Nachdem das geometrische Merkmal auf der Oberfläche des Schneideinsatzes ausgebildet wurde, besteht der nächste Schritt darin, die Dicke jeder der freigelegten Schichten der einschichtigen oder mehrschichtigen Beschichtung zu messen. Eine Technik zum Messen der Dicke jeder der Schichten besteht darin, ein digitales Bild zu verwenden, das von einer kommerziell verfügbaren Mikroskopietechnik, wie z. B. einer Fokusvariation, einer Kontrasterkennung, einer konfokalen Mikroskopie, einer interferometrischen Mikroskopie, einer bildgebenden interferometrischen Mikroskopie und dergleichen, erzielt wurde.
-
Die Fokusvariation ist ein Verfahren zum Berechnen eines scharfen Bildes und zum Messen der Tiefe mit einer Optik mit begrenzter Tiefenschärfe.
-
Der Algorithmus funktioniert folgendermaßen:
- 1. Bilder mit verschiedenem Fokus werden erfasst. Dies wird durch Bewegen der Probe oder der Optik in Bezug aufeinander bewerkstelligt.
- 2. Der Fokus über jeder Ebene wird für jede Position berechnet.
- 3. Die Ebene mit dem besten Fokus wird verwendet, um ein scharfes Bild zu erhalten. Die entsprechende Tiefe ergibt die Tiefe an dieser Position.
-
Die konfokale Mikroskopie, die im Allgemeinen als konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie (CLSM) bekannt ist, ist eine optische Abbildungstechnik zum Erhöhen optischer Auflösung und des Kontrasts einer Mikroaufnahme durch Hinzufügen einer räumlichen Lochblende, das an der konfokalen Ebene der Linse angeordnet wird, um Out-of-Focus-Licht zu eliminieren. Es ermöglicht die Rekonstruktion von dreidimensionalen Strukturen aus Sätzen von Bildern, die in verschiedenen Tiefen innerhalb eines dicken Objekts erhalten wurden (ein Vorgang, der als optisches Schneiden bekannt ist). Diese Technik hat in Wissenschaft und Industrie an Popularität gewonnen und eine typische Anwendung besteht in Biowissenschaften, der Halbleiterüberprüfung und Materialwissenschaften.
-
Das Prinzip der konfokalen Bildgebung wurde in 1957 von Marvin Minsky patentiert und setzt sich zum Ziel, einige Einschränkungen traditioneller Weitfeld-Fluoreszenzmikroskope zu überwinden. Bei einem herkömmlichen (d. h. Weitfeld-) Fluoreszenzmikroskop wird die gesamte Probe gleichmäßig mit Licht von einer Lichtquelle geflutet. Alle im optischen Pfad befindlichen Teile der Probe werden zur gleichen Zeit angeregt und die resultierende Fluoreszenz wird durch den Photodetektor oder die Kamera des Mikroskops, einschließlich eines großen unfokussierten Hintergrundabschnitts, detektiert. Dagegen verwendet ein konfokales Mikroskop eine Punktbeleuchtung (siehe Point Spread Function, Punktverteilungsfunktion) und eine Lochblende in einer optisch konjugierten Ebene vor dem Detektor, um ein Out-of-Focus-Signal zu eliminieren - der Name „konfokal“ leitet sich von dieser Konfiguration her. Da lediglich Licht, das durch Fluoreszenz sehr nah der Brennebene erzeugt wird, detektiert werden kann, ist die optische Auflösung des Bildes, insbesondere in Tiefenrichtung der Probe, viel besser als jene von Weitfeld-Mikroskopen. Da jedoch viel von dem Licht von der Fluoreszenz der Probe an der Lochblende blockiert wird, geschieht die erhöhte Auflösung auf Kosten einer verringerten Signalintensität, so dass häufig lange Belichtungszeiten erforderlich sind. Um diesen Signalabfall nach der Lochblende auszugleichen, wird die Lichtintensität von einem empfindlichen Detektor, üblicherweise einer Photovervielfacherröhre (PMT) oder einer Lawinenphotodiode, detektiert, der das Lichtsignal in ein elektrisches Signal umwandelt, das durch einen Computer aufgezeichnet wird.
-
Da lediglich ein Punkt in der Probe zu einem Zeitpunkt beleuchtet wird, erfordert ein 2D- oder 3D-Abbilden eine Abtastung über ein regelmäßiges Raster (d. h. ein rechteckiges Muster von parallelen Abtastzeilen) in der Probe. Der Strahl wird über die Probe in der horizontalen Ebene unter Verwendung eines oder mehrerer (servogesteuerter) oszillierender Spiegel gerastert. Dieses Abtastverfahren weist in der Regel eine niedrige Reaktionslatenz auf, und die Abtastgeschwindigkeit kann variiert werden. Langsamere Rasterungen liefern ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis, was zu einem besseren Kontrast und einer höheren Auflösung führt.
-
Die erreichbare Dicke der Brennebene wird hauptsächlich durch die Wellenlänge des verwendeten Lichts, geteilt durch die nummerische Apertur der Objektivlinse, aber auch durch die optischen Eigenschaften der Probe definiert. Das mögliche dünne optische Schneiden bewirkt, dass diese Arten von Mikroskopen besonders gut beim 3D-Abbilden und Oberflächenprofilerfassen von Proben sind.
-
Die konfokale Mikroskopie bietet die Möglichkeit eines direkten, nichtinvasiven, seriellen optischen Schneidens von intakten, dicken, lebenden Proben bei einer minimalen Probenvorbereitung sowie einer geringfügigen Verbesserung lateraler Auflösung. Biologische Proben werden oft mit fluoreszierenden Farbstoffen behandelt, um ausgewählte Objekte sichtbar zu machen. Die tatsächliche Farbstoffkonzentration kann jedoch niedrig sein, um die Störung von biologischen Systemen zu minimieren: Einige Instrumente können einzelne fluoreszierende Moleküle nachverfolgen. Außerdem können transgene Techniken Organismen erzeugen, die ihre eigenen fluoreszierenden chimären Moleküle erzeugen (wie z. B. eine Fusion von GFP, einem fluoreszierenden Protein mit dem Protein von Interesse).
-
Die interferometrische Mikroskopie oder abbildende interferometrische Mikroskopie stellt das Mikroskopiekonzept dar, das mit der Holografietechnik, einer Abbildungstechnik mit synthetischer Apertur und einer Technik einer achsenfernen Dunkelfeldbeleuchtung in Beziehung steht. Die interferometrische Mikroskopie erlaubt aufgrund einer interferometrischen (holografischen) Erfassung mehrerer Teilbilder (Amplitude und Phase) und des nummerischen Kombinierens eine Verbesserung der Auflösung optischer Mikroskopie.
-
Bei der interferometrischen Mikroskopie wird das Bild eines Mikroobjektes numerisch als eine kohärente Kombination von Teilbildern mit erfasster Amplitude und Phase synthetisiert. Zur Erfassung von Teilbildern wird der herkömmliche holografische Aufbau mit der Referenzwelle verwendet, der für die optische Holografie üblich ist. Die mehrfache Belichtung erlaubt die nummerische Emulation eines Objektivs mit einer großen nummerischen Apertur bei moderaten Werten der Numerischen Apertur des zur Erfassung von Teilbildern verwendeten Objektivs. Ähnliche Techniken ermöglichen Rastern und eine präzise Erfassung von kleinen Partikeln. Da das kombinierte Bild sowohl Amplituden- als auch Phaseninformationen beibehält, kann die interferometrische Mikroskopie für die Phasenobjekte besonders effizient sein, was eine Detektion von geringfügigen Variationen des Brechungsindexes ermöglicht, die die Phasenverschiebung des durchgehenden Lichtes um einen kleinen Bruchteil eines Radianten verursachen.
-
Wie vorstehend beschrieben, umfasst ein zerstörungsfreies Verfahren zum Bestimmen der Dicke einer Beschichtung auf einem Schneideinsatz ein Ausbilden eines geometrischen Merkmals auf der Oberfläche des Schneideinsatzes, um einen Querschnitt des Substrats und einer ein- oder mehrschichtigen Beschichtung freizulegen, und dann ein Verwenden einer herkömmlichen mikroskopischen Messtechnik, um die Dicke jeder der Schichten zu bestimmen. In einem Aspekt wird das geometrische Merkmal, wie z. B. eine Rille, unter Verwendung eines Pikosekundenlasers oder eines Femtosekundenlasers ausgebildet. Es ist zu beachten, dass die zum Ausbilden des geometrischen Merkmals unter Verwendung des Pikosekunden- oder des Femtosekundenlasers benötigte Zeit ungefähr 7 Sekunden oder weniger beträgt, und die Zeit zum Bestimmen der Dicke jeder Schicht ungefähr eine Minute oder weniger beträgt, wodurch eine kontinuierliche Überprüfung des Schneideinsatzes ermöglicht wird.
-
Die Patente und Veröffentlichungen, auf die in diesem Schriftstück Bezug genommen wird, werden hiermit durch Verweis einbezogen.
-
Nachdem derzeit bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurden, kann die Erfindung ansonsten im Geltungsumfang der beigefügten Ansprüche ausgeführt werden.
