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Decken alle Ansprüche der modernen Mikroskopie ab: Piezoantriebe für Objektive - genau, schnell und preisgünstig

22.09.2011
In der Mikroskopie wird eine schnelle und gleichzeitig präzise Bewegung der Z-Achse für unterschiedliche Aufgabenstellungen gebraucht, z.B. für Autofokussysteme, Oberflächenanalyse, Screeningaufgaben, Waferinspektion oder Mehr-Photonen-Spektroskopie.

Schnelle Scans in Z-Richtung für dreidimensionale Aufgaben haben die gleichen Anforderungen an Präzision und Geschwindigkeit. Piezoantriebe sind für solche Aufgabenstellungen gut geeignet, gleichgültig ob Objektiv, der komplette Objektivrevolver oder die Probe positioniert werden soll.

Die PIFOC-Z-Antriebe von Physik Instrumente (PI), Karlsruhe, können sehr klein und steif gebaut werden (Bild 1). Sie reagieren dadurch mit kurzen Ansprechzeiten und positionieren durch die gute Führung auch bei verhältnismäßig großen Verfahrwegen bis 100 oder sogar 400 µm sehr präzise. Die spielfreie und hochgenaue Festkörperführung sorgt für eine hohe Fokusstabiltät. Fein positioniert werden kann im Bereich unter einem Nanometer. Die Einschwingzeit von weniger als 10 ms erhöht die Durchsatzraten und ermöglicht das schnelle Scannen durch Z-Stacks. Zusammen mit Direktmetrologie, kapazitiven Sensoren und Digitalcontrollern erreichen die Piezoantriebe höchste Linearitäten von 0,06 %.

Einfache Integration mit Schnellverschlussadapter Die Integration der PIFOC-Z-Antriebe ins Mikroskop ist praxisgerecht: Zwischen Objektiv und Revolver lassen sich die Antriebe einfach mit einem Schnellverschlussadapter einsetzen. Nach dem Einschrauben des Adapters in den Revolver wird der Antrieb dann 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 freie Apertur (Öffnung für die Lichtstrahlen) im Gewindeeinsatz.

Digitaler Controller zum Preis analoger Technik Ein komplettes PIFOC-Z-Scanner-System besteht aus einer leistungsfähigen Piezomechanik und einem darauf perfekt abgestimmten kompakten digitalen Controller, der die Möglichkeiten der digitalen Regelung für piezogetriebene Nanopositioniersysteme zu den Kosten analoger Controller bereitstellt. Der Anwender profitiert von der dadurch höhere Linearität und der einfacheren Bedienung. So kann auf alle Bewegungsparameter durch Rechenalgorithmen gezielt Einfluss genommen werden. Außerdem erlauben digitale Controller die unmittelbare Änderung von Servoparametern, sobald sich z.B. die Last ändert. Da die Piezoantriebe wahlweise mit unterschiedlicher Sensorik arbeiten (Dehnungsmessstreifen oder hochauflösenden kapazitiven Sensoren) sind auch in dieser Hinsicht perfekte Anpassungsmöglichkeiten an die individuellen Applikationsanforderungen gegeben. Für Anwendungen, in denen analoge Steuersignale zur Verfügung stehen, kann der Controller ebenfalls eingesetzt werden: Neben zwei digitalen Schnittstellen gehört auch ein breitbandiger Analogeingang zur Standardausrüstung. Die Systeme können wahlweise auch mit µManager, MetaMorph und MATLAB angesteuert werden.

Kostenoptimierter digitaler Piezocontroller Der kostengünstige Digitalcontroller E-709 kann nicht nur mit kapazitiven Sensoren, sondern auch mit einfacheren Messsystemen wie Dehnungsmessstreifen oder piezoresistiven Sensoren arbeiten (Bild 3), d.h., auch in solchen Anwendungen lassen sich alle Vorzüge digitaler Technik nutzen, ohne dass höhere Kosten in Kauf genommen werden müssen. Die eingeschränkte Linearität dieser Sensoren verbessert sich durch den digitalen Regler, weil zusätzliche Rechenalgorithmen die Abweichung zwischen Soll- und Istposition minimieren. Damit wird die Linearität um bis zu drei Größenordnungen verbessert. Im geschlossenen Regelkreis lässt sich bei Bedarf zwischen internem und externem Sensor als Positionsgeber umschalten. Die Kommunikation mit dem Controller ist wahlweise über USB- oder analoge Schnittstelle möglich. Mit „Labview“ lässt sich über einen am PC angeschlossenen Joystick außerdem eine quasi manuelle Bedienung realisieren. Die E-709 Controller sind auch ohne Gehäuse als OEM-Variante erhältlich. Eine „abgespeckte“ Ausführung für eine rein analoge Ansteuerung mit digitalem Regler und digitaler Parameterkontrolle steht ebenfalls zur Verfügung. Hier kann eine Systemkomponente mit analogem Ausgangssignal (z.B. Autofokus) direkt die Position vorgeben.

Kastentext: Über PI
In den letzten vier Jahrzehnten hat sich PI mit Stammsitz in Karlsruhe zum führenden Hersteller von Nanopositioniertechnik entwickelt. Als privat geführtes Unternehmen mit gesundem Wachstum, über 500 Angestellten weltweit und einer flexiblen, vertikal integrierten Organisation, kann PI fast jede Anforderung aus dem Bereich innovativer Präzisions-Positioniertechnik erfüllen. Alle Schlüsseltechnologien werden im eigenen Haus entwickelt. Dadurch kann jede Phase vom Design bis hin zur Auslieferung kontrolliert werden: die Präzisionsmechanik und Elektronik ebenso wie die Positionssensorik und die Piezokeramiken bzw. -aktoren. Letztere werden bei der Tochterfirma PI Ceramic gefertigt. In allen wichtigen Märkten ist PI mit eigenen Vertriebs- und Serviceniederlassungen vertreten. Außerdem unterhält das Unternehmen Testausrüstungen für Nanometrologie auf drei Kontinenten. PI Shanghai und USA haben darüber hinaus Entwicklungs- und Fertigungsressourcen, die vor Ort eine schnelle Reaktion auf kundenspezifische Anforderungen ermöglichen.

Text: Dipl.-Phys. Gernot Hamann, Business Development Manager bei Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, und Ellen-Christine Reiff, M.A., Redaktionsbüro Stutensee

Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG
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Gernot Hamann | rbsonline.de
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