Hallo liebe Mikroskopiebegeisterte,
ich habe mich gestern mal darangemacht, einen Weißlichtinterferometrieaufbau mit meinen Leica DMXRE zu realisieren. Prinzipiell benötigt man hierfür spezielle Objektive, welche einen Interferometeraufbau ermöglichen. Hier gibt es unterschiedliche Ansätze, wobei ich auf die prinzipielle Funktionsweise nur ganz kurz eingehen möchte:
Für niedrigvergrößernde Objektive (2,5x - 5x) wird zumeist das Michelson-Interferometerprinzip angewendet, wobei im Strahlengang des Objektivs ein kleiner Strahlteilerwürfel angebracht ist, welcher mit einem seitlich montierten Referenzspiegel die Interferenz erzeugt.
Bei einem Mirau-Interferometer ist eine dünne planparallele Platte im Strahlengang angebracht, mit einer mittig aufgedampften kleinen Referenz-Spiegelfläche. Dieses Interferometerprinzip wird für mittelvergrößernde Objektive angewendet, so im Bereich 10x-50x.
Es gibt übrigens von Leitz auch eine Zweistrahlinterferenzeinrichtung für Michelson und Mirau, welche an ein (normales) Objektiv adaptiert werden kann, siehe bspw. hier:
https://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=23566.0
Zur Vollständigkeit halber, gibt es für hohe Vergrößerungen noch ein Interferometer nach Linnik, wobei hier ein zweiter Interferometerarm mit einem zweiten, möglichst gleichen Mikroskopobjektiv, realisiert wird. Hiermit lässt sich im Gegensatz zum Michelson und Mirau auch die maximale optische Auflösung (Lateral) ausnützen und auch Objektive mit sehr kurzen Arbeitsabstand.
Ich habe für meinen Aufbau ein spezielles Mirau-Objektiv von Leica verwendet, eine HCX Pl-Fluotar 10x/0.30 MIRAU. Ich hätte aber auch die Leitz-Zweistrahlinterferenzeinrichtung und auch ein Linnik-Interferometer (an einem Metalloplan).
Vielmehr gehört eigentlich nicht dazu, außer dass man Mikroskoptisch benötigt, welcher möglichst feinfühlig, am besten vollautomatisiert und möglichst gleichmäßig den z-Fokus durchfahren kann, sowie eine (Farb)Kamera für Bildaufnahme. Wenn man wirklich messen möchte, sollte die die z-Fokusfahrt dann am besten auch absolut referenziert sein, also die absolute Schrittweite sollte dann bekannt sein.
Und natürlich eine Software, welche aus dem z-Fokus-Sweep-Video eine Höhenmap erstellen kann, was mit meinem Lieblingsprogramm FIJI (bzw. ImageJ) wirklich erstaunlich gut und extrem schnell klappt.
Das aufgenommene Testobjekt ist ein (witziges) Detail eines 486 Prozessor-Die`s mit einem TEXAS- und einem BULLEN-Logo.
Nunmal Butter bei die Fische:
1. Recht stark bearbeitetes Video des Fokus-Sweeps, damit es als GIF ins Forum passt. Das Original hat 250 Bilder mit 3 Megapixeln und ist etwas (etwa 3GB unkomprimiert) zu groß.
temp-07192025220128-0000_t-1_31.gif
Weiter im gehts im nächsten Beitrag.
Lg Tino
Weiter gehts:
2. Komposite Bild des Mittelwerts aller Bilder (FIJI-"z-Project"-Befehl, mit Std-Dev-Averaging)
Composite.tif (RGB)-1.jpg
3. Höhenmap als Graustufenbild, welches mittels FIJI aus dem AVI-Video in sekundenschnelle (etwa 3 Sekunden) auf der Grafikkarte berechnet wird (CLIJ2 - Projektions-Befehl "z-position of maximum"). Die Höhe ist aber nicht absolut kalibriert, sondern gibt nur die Position des (Interferenz)-Maximums in der Video-Bildfolge an.
z_position_of_max-min_z_projection-average.jpg
4. 3d-darstellen lässt sich das recht anschaulich mittels "3d-Surface-Plot"-Befehl, wobei als Textur das Komposite-Bild dient, wobei die Surface-Map auch etwas weichgezeichnet werden kann, da an den Kanten Rekonstruktions-Artefakte auftreten können,
Erstmal ohne "Smoothing":
Surface_Plot_of_z_position_of_max-min_z_projection-average_NoSmoothing.jpg
Surface_Plot_of_z_position_of_max-min_z_projection-average_NoSmoothing_Detail.jpg
Und mit 4Pixel-Smoothing:
Surface_Plot_of_z_position_of_max-min_z_projection-average_Smoothing4.jpg
Surface_Plot_of_z_position_of_max-min_z_projection-average_Smoothing4_Detail.jpg
Lg Tino
Hallo Tino ,
mal wieder ein interessanter Beitrag , auch weil ich gerade mein CZJ Mach-Zehnder-Interferometer aufgebaut habe . Der Anlass war die Vorstellung einer System Komponente des alten VELOMET Mess-Systems auf einer solcial media Seite , dem Halbschatten – Platten Modulator. Dieser Modulator schiebt mit einer Frequenz von 300Hz eine λ/2 – Phasenumkehr-Platte ins Bild und über eine Messfeldblende. Die 300Hz sind fürs Auge nicht wahrnehmbar so dass die manuelle Kompensation nicht gestört ist. Die elektronisch Signalverarbeitung reagiert aber empfindlicher auf Halbschatten und stellt den Abgleich über ein Messinstrument mit Nulllage korrekt ein.
Nicht ganz dein Thema, dennoch würde mich interessieren, wie man bei deiner Anwendung den Phasensprung der verschiedenen Materialien umgeht, um eine
,,Höhenkalibrierung" durchführen zu können. Oder war dies nie beabsichtigt?
lG
Jürgen
Hallo Jürgen,
über die eigentliche Höhenkalibrierung und den Phasensprung bei unterschiedlichen Materialien hab ich mir noch keine großen Gedanken gemacht, aber ich bin mir dessen schon bewusst. Das Charmante an der Weißlichtinterferometrie ist aber, dass man gleichzeitig das Interferenzmuster für unterschiedliche Farben erhält. Normalerweise nimmt man definierte RGB-Filter mit bekannten Zentralwellenlängen hierfür, ich habe erstmal nur die ziemlich unbestimmten RGB-Filter der Farbkamera verwendet. Ausgewertet habe ich die jeweiligen Farb-Kanäle separat.
Ich habe übrigens als z-Stage einen speziellen Leica Super-Z-Galvo verwendet. Ist ein sehr fein auflösender und ziemlich linearer Tisch auf Grundlage einer Tauchspule, hätte aber auch PI-Piezo-Versteller für das Mikroskopobejktiv verwenden können. Mache damit einen linearen Sägezahn-Sweep in 10s über den vollen Verstellweg, welcher mir aber leider nicht genau bekannt ist. Ich vermute aber so 250µm. Müsste aber nochmal nachmessen, wenn ich dazu komme. Bei einer Bildfrequenz der Kamera von etwa 39Hz wandern die Intererenzstreifen dann um etwa 1/10 Lambda (550nm) von Bild zu Bild. Das ergibt dann ~60nm z-Schritt pro Bild. Der Fokus des Stierkopfs liegt zur Umgebung etwa 110 Bilder weiter oben, was dann geschätzt etwa 7µm Höhe ergeben würde. Naja, die große Kunst wäre aber ein Algorithmus, welcher aus den 3 unterschiedlichen Phasensteps bei den jeweiligen RGB-Wellenlängen, gleich ein Höhenkalibriertes Bild ergibt. Da bin ich aber Programmiertechnisch noch nicht schlau genug. Man kann mit FIJI übrigens auch die Position des Interferenz-Minimums, statt des Maximums auswerten, dann ergibt sich ein definierter Offset. Hab aber erstmal alles auf die Schnelle ausprobiert. Und der Phasensprung bei unterschiedlichen Materialien, ist ja im Grunde immer da. Da kann doch die Lambda/2 Platte auch nichts dran ändern, oder?
Lg Tino
Hallo Tino,
die Velomet- Messmethode ist eine reine punktuelle mit einem in der Größe festgelegten Messfeld. Mann misst immer nur ein Material, von dem man im günstigsten Fall den Phasensprung kennt. Die Halbschattenplatte ändert daran auch nichts, sie dient nur der Einstellung des Halbschattens.
Solche eine ,,Höhen-Map" , wie du sie anstrebst wäre natürlich das non plus Ultra .
Die (Interferenz)-Maxima in deinem Film treten zudem in den verschieden hohen Ordnungen der Interferenzstreifen auf, die speziell bei der rot – grün Kanal Intensität - Unterscheidung berücksichtigt werden sollten.
lG
Jürgen
Hallo Tino & Jürgen,
spannende Sache.
Fragen:
- Wie würden die unterschiedlichen Ordnungen der Interferenz berücksichtigt werden können, die Jürgen angesprochen hat? Filtern geht ja wohl nicht.
- Die Spezialobjektive sind nicht gerade die billigsten, gibt es aber manchmal in der Bucht, hauptsächlich von Zygo. Ob die an ein Zeiss Unendlich-System passen?
- Gibt es ein (erschwingliches) Höhen-Normal, mit dem man die Messung überprüfen kann? Ich habe vor Jahren mal so einen Moving-Coil Galvo-Tisch gebastelt, konnte aber mangels Standard nichts überprüfen. Interferometrie mit 680-nm-Laser reichte nicht wegen der Auflösung.
Viele Grüße aus Bonn
Horst
Hallo Jürgen, hallo Horst,
etwas speziell ist an der Weißlichtinterferometrie ist, dass die Lichtquelle aufgrund der großen Bandbreite nicht sehr kohärent ist. Dh. es gibt im Grunde ein klar definiertes Maximum der Interferenz (der schwarze Streifen im Video) und jeweils daneben nimmt der Kontrast langsam in Form einer sogenannten Envelope ab. Der Bereich, wo überhaupt Interferenzstreifen detektierbar sind, ist nur wenige µm breit. Aus diesem Grund funktiniert auch die Detektion der Position des Maximums/oder Minimums im Video. Bei kohärenter Beleuchtung haben die Interferenzen im Grunde überall den gleichen Kontrast, dann würde die Fokuspositionsbestimmung nicht klappen.
Ich habe das Video als Gif zum besseren Verständnis nochmal im Orginal auf mein Google-Drive gelegt, das Gif im Beitrag ist schon sehr arg zusammengestaucht:
https://drive.google.com/file/d/16UvywiZEnatRT-ZcPVRk_WBacDvOd6ut/view?usp=sharing
Bitte beachten, das Original hat ~400MB.
Da kann man es ganz gut erkennen, was ich meine.
Lg Tino
Hallo Horst,
das speziell Leica MIRAU-Objektiv, was ich hier verwendet habe, ist ziemlich aktuell und anscheinend aus einem speziellen OEM-WLI-Messgerät. Es taucht auch im Grunde nirgendwo in den normalen Leica-Objektivlisten auf. Die Abgleichlänge ist auch etwas kürzer, funktioniert daher nur mit einem Zwischenstück. Gabs aber recht günstig bei Ebay-kleinanzeigen. Die Leitz-Zweistrahlinterferenzaufsätze habe ich auch, die dazugehörigen Objektive sind aber auch etwas spezieller, die 25mm Objektive sind auf einen kleineren Durchmesser abgedreht. Und ein Linnik-Interferometer habe ich auch und zwar an einem Metalloplan.
Die angesprochenen ZYGO-Objektive kenne ich, haben etliche am Institut an unseren diversen NewView WLIs. Dann gibt es noch von Nikon die DI Objektive. Kann man schon immermal ein Schnäppchen machen, ist aber die Frage, ob sie an einem fremden Mikroskopsystem funktionieren. Ich denke aber die Objektive sind eh nicht auf maximale Auflösung auskorrigiert, könnte also schon gehen.
Ein Kalibriernormal könnte ich wahrscheinlich auf Arbeit unproblematisch bekommen/messen, komme aus der Mikrostrukturierung und habe daher freundlicherweise Zugriff auf Messgeräte und Standards.
Lg Tino
Hallo Tino,
vielen Dank, etwas mehr Klarheit.
Zur Erstellung einer höhenkorrekten 3-D-Darstellung reicht es wohl nicht, wenn man nur das Objektiv hat. Die Software ist wohl der Knackpunkt.
Kalibriernormal: nebenan ist das Institut für Detektorphysik, vielleicht können die das auch. Ansonsten seid ihr ja von der Ausstattung her konkurrenzlos!
Viele Grüße
Horst
Hallo und guten Morgen,
ich habe bezüglich der Auswertung der WLI-Messdaten noch etwas recherchiert und diese mittels FIJI/ImageJ als Makro programmiert. Ich würde mich sehr freuen, wenn im Forum vllt. Interesse besteht und dann das Makro zur Verfügung stellen (bzw. gemeinsam Weiterentwickeln) und auch nochmal den Messablauf und den Algorithmus näher erläutern. Dann könnte man mit klassischen Michelson-, Mirau und Linnik-Mikroskop-Interferometersystemen, bspw. von Leitz (https://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=23566.0) oder auch fürs Zeiss-Jena Interphako auf recht einfache Art und Weise eine WLI-Messung und Auswertung realisieren. Hierzu wird aber ehrlicherweise noch eine definierte z-Fokusfahrt benötigt, zumindes wenn man wirklich messen will.
In der ursprünglichen Auswertung im Rahmen dieses Fadens, kam es bei der Bestimmung der Höhenkarte zu Ungenauigkeiten, da ich die Auswertung mit den rohen Interferenzaten durchgeführt habe. Im Grunde muss aber aus den Interferenzdaten vorher die Einhüllende (Envelope) bestimmt werden, was auf verschiedene Arten und Weisen erfolgen kann. Siehe auch in dieser Dissertation für Hintergrundinformationen:
https://kobra.uni-kassel.de/items/199971d9-2944-4266-b86a-fa468fd03256
Die beiden häufigsten Methoden sind:
1. mittels der Hilbert-Transformation
2. mittels der Bestimmung der gleitenden Standardabweichung (bzw. Varianz)
Für die Methode 1. bin ich leider nicht schlau genug, aber die Methode 2. funktioniert mit FIJI/ImageJ vergleichsweise unkompliziert. Das ist im Grunde softwaretechnisch auch der ganze Zauber dahinter, genaugenommen muss aus den Profilen aber noch die Positions des Maximums bestimmt werden.
Anbei ein paar Bilder zur Darstellung des Problems:
Pos1000-1000.jpg
Bild 1. Interferenzmessdaten (AVI-Video, mit 250 Einzelbildern, welche mittels z-Höhenscan aufgenommen wurden). Links unter dem Stierkopf ist ein kleines Kreuz, welches die Position für den nachfolgend dargestellten z-Profile angibt.
z-Profile_VID_07192025220128_t(green)_1000-1000.jpg
Bild 2a. z-Profil (die x-Achse ist jeweils die Position des Einzelbildes im Video-Stack) der rohen Interferenzmessdaten für den grünen Farb-Kanal. Zur Erklärung, man sieht im Roh-Video die entsprechenden Interferenzen durchwandern, vgl. auch Gif im ersten Beitrag.
z-Profile_MovStdDev30-07192025220128_t(green)_16bit_1000-1000.jpg
Bild 2b. z-Profil der Einhüllenden, welche Mittels gleitender Standardabweichung für jeweils immer 30 aufeinanderfolgende Bilder bestimmt wurde. Die Höhenkarte berechnet sich aus dem absoluten Maximum der Kurve für alle Bildpunkte, für den Punkt 1000, 1000 an dieser Position ist das Maximum etwa beim 205ten Bild im Videostack. Es gibt aber noch zusätzliche lokale Maxima, welche vermutlich durch Schichtinterferenz hervorgerufen werden.
z-Profile_MovStdDev30-MovAvg10-07192025220128_t(green)_16bit_1000-1000.jpg
Bild 2c. zusätzlich weichgezeichetes z-Profil mittels gleitendem Average über 10 Bilder. Hiermit ist die Bestimmung des Maximums verlässlicher möglich.
Hier ist nochmal der Vergleich der Höhenmaps, wenn diese einerseits aus den Interferenz-Rohdaten bestimmt wird, bzw. korrekterweise aus den Daten der Einhüllenden:
Surface_Plot_of_HM_VID_07192025220128_t(green)_noSmoothing.jpgSurface_Plot_of_HM_MovStdDev30-MovAvg10-07192025220128_t(green)_16bit_noSmoothing.jpg
Bild3: Links Höhenmap aus dem Maximum der Interferenzrohdaten, Rechts Höhenmap aus dem Maximum der Einhüllenden (jeweils ohne Weichzeichnung). Die Artefakte durch die Interferenzstreifen sind kaum noch sichtbar.
Lg Tino