Richi´s Lab

 

Die optische Abbildung integrierter Schaltkreise

 

Für professionelle Analysen von integrierten Schaltkreisen kommen spezielle Auflichtmikroskope mit polarisiertem Licht zum Einsatz. Die Vergrößerungsfaktoren reichen bis zu einem Faktor 100:1. Selbst gebrauchte Mikroskope dieser Art sind sehr teuer. Dazu kommt ein nicht unerheblicher Aufwand. Derartige Vergrößerungen liefern nur ein brauchbares Auflösungsvermögen, wenn man spezielle Flüssigkeiten zwischen Objekt und Linse einsetzt, die die Lichtbrechung optimieren. Der Arbeitsabstand zwischen Optik und Objekt beträgt dann oft nur noch wenige Zehntel eines Millimeters.

 

Decapping Optik maximale Vergrößerung

Mit einer Spiegelreflexkamera in einer speziellen Konfiguration, wie hier zu sehen, lassen sich relativ günstig Vergrößerungsfaktoren bis 30:1 mit einem recht brauchbaren Auflösungsvermögen erreichen.
Beim Vergleich von Vergrößerungsfaktoren lässt man sich leicht täuschen. Der Sensor der Canon 60D bietet eine Auflösung von 18 Megapixel. Gibt man sich mit einer Auflösung von 1,2 Megapixel zufrieden, so steigt der Vergrößerungsfaktor zum Beispiel auf 120:1. Die Pixeldichte des APS-C-Sensors ermöglicht bei einem Vergrößerungsfaktor von 30:1 eine theoretische Auflösung von 200nm pro Pixel. Das bedeutet, dass in diesem System nicht mehr der Vergrößerungsfaktor, sondern die Abbildungsleistung der Optik relevant ist.

Das gängigste Mittel zur Aufnahme von kleinen Strukturen sind Makroobjektive. Zusätzlich kann man Nahlinsen einsetzen. Einige Hersteller bieten auch Lupenobjektive an. Über einen Abbildungsmaßstab von 5:1 kommt man dabei aber meist nicht hinaus.

Mit sogenannten Retroadaptern kann man sehr viel höhere Vergrößerungsfaktoren erreichen. Retroadapter ermöglichen es das Objektiv um 180° gedreht an der Kamera zu befestigen. Der Retroadapter besitzt dazu auf einer Seite ein Filtergewinde und auf der anderen Seite ein Bajonett.
Da in dieser Konfiguration keine elektrische Verbindung zur Kamera existiert, muss das Fokussieren händisch erfolgen. Auch die Blende kann in diesem Aufbau nicht geändert werden. Es lässt sich aber eine Blende einstellen. Dazu verbindet man das Objektiv normal mit der Kamera, stellt eine Blende ein, drückt den Knopf zum Abblenden, hält ihn gedrückt und entfernt währenddessen das Objektiv. Die Blende bleibt so eingestellt und kann auch mit einem Retroadapter verwendet werden. Es gibt Retroadapter, die über ein Kabel und einen zusätzlichen Ring am Ende des Objektivs die elektrische Verbindung zwischen Kamera und Objektiv halten. Die Verlängerung der Optik ist allerdings für die Abbildung der kleinen Dies mit ihrem geringen Abständen zum Objektiv von Nachteil.
Rein mechanische Objektive haben hier den Vorteil, dass die Blende jederzeit händisch eingestellt werden kann.

Retroadapter stellen die höchsten Vergrößerungsfaktoren mit geringen Brennweiten dar. Im obigen Bild handelt es sich um ein 10-22mm Ultraweitwinkelobjektiv.

Eine weitere Erhöhung des Vergrößerungsfaktors lässt sich über sogenannte Balgengeräte erreichen, die den Abstand zwischen Objektiv und Kamera vergrößern. Günstiger und ebenso gut geeignet sind Distanzringe.

 

Die folgenden Bilder zeigen Vergrößerungsfaktoren, die sich mit verschiedenen Konfigurationen erreichen lassen. Dazu wurde ein Maßsstab fotografiert, der 1mm breit ist und 10µm Unterteilungen besitzt.
Links ist die vollständige Abbildung zu sehen. Rechts handelt es sich um einen 1:1-Ausschnitt aus den 18 Megapixeln des Sensors.

 

Decapping Optik Canon EF 100mm f/2,8L Macro      Decapping Optik Canon EF 100mm f/2,8L Macro

Das Objektiv Canon EF 100mm f/2,8L Macro bietet in der normalen Konfiguration einen Abbildungsmaßstab von bis zu 1:1. In dieser Einstellung werden entsprechend auf dem 3,2cm breiten APS-C-Sensor 3,2cm des Objekts abgebildet.

 

Decapping Optik Canon EF-S 18-135mm f/3,5-5,6      Decapping Optik Canon EF-S 18-135mm f/3,5-5,6

Mit Retroadapter und dem Kit-Objektiv Canon EF-S 18-135mm f/3,5-5,6 in der 135mm-Einstellung sind bereits die 10µm-Linien zu erahnen.

 

Decapping Optik Canon EF-S 18-135mm f/3,5-5,6      Decapping Optik Canon EF-S 18-135mm f/3,5-5,6

Mit Retroadapter und dem Kit-Objektiv Canon EF-S 18-135mm f/3,5-5,6 in der 18mm-Einstellung lassen sich die 10µm-Linien gut erkennen.

 

Decapping Optik Canon EF-S 10-22mm f/3,5-4,5      Decapping Optik Canon EF-S 10-22mm f/3,5-4,5

Mit Retroadapter und dem Objektiv Canon EF-S 10-22mm f/3,5-4,5 in der 10mm-Einstellung erhöht sich die Abbildungsleistung noch weiter.
Das vollständige Bild zeigt nur noch etwas mehr als 3mm, was einem Vergrößerungsfaktor von ungefähr 10:1 entspricht.

 

Decapping Optik Canon EF-S 10-22mm f/3,5-4,5 Balgen      Decapping Optik Canon EF-S 10-22mm f/3,5-4,5 Balgen

Eine weitere Verbesserung der Abbildungsleistung bringt die Erweiterung des obigen Aufbaus (Retroadapter, Canon EF-S 10-22mm f/3,5-4,5 in der 10mm-Einstellung) mit 65mm-Abstandsringen.

 

Decapping Optik Canon EF-S 10-22mm f/3,5-4,5 Balgen      Decapping Optik Canon EF-S 10-22mm f/3,5-4,5 Balgen

Der letzte noch sinnvolle Schritt ist die Aufdopplung der Abstandsringe, so dass sich der ganz oben abgebildete Kameraaufbau ergibt: Retroadapter, Canon EF-S 10-22mm f/3,5-4,5 in der 10mm-Einstellung und 130mm Abstandsringe.
Die Vergrößerung hat sich noch einmal merklich erhöht und liegt jetzt fast bei einem Faktor 30:1. Dem optischen Erscheinen der gezoomten Linien nach hat die Abbildungsleistung ihr Maximum für den vorliegenden Aufbau erreicht.
Die Abbildung von ungefähr 1,15mm auf 5184 Pixel ergibt eine theoretische Auflösung von 200nm pro Pixel. Praktisch lassen sich Strukturen mit 5µm ziemlich sicher auflösen. In optimalen Fällen sind auch noch etwas kleinere Strukturen bis hin zu einer Breite von 1µm erkennbar.

 

Unabhängig von der Brennweite eignen sich nicht alle Objektive für die Retro-Konfiguration. Das hochwertige und lichtstarke Canon EF 24-70mm f/2,8L liefert beispielsweise schlechtere Abbildungsleistungen als das einfache Kit-Objektiv Canon EF-S 18-135mm f/3,5-5,6.
Die Schärfentiefe ist bei den hohen Vergrößerungen sehr gering. Das führt dazu, dass das abzubildende Objekt absolut parallel zum Objektiv ausgerichtet werden muss. Abweichungen von der idealen Ausrichtung führen zu Unschärfen an den Rändern des Dies.
Um die Schärfentiefe zu erhöhen, kann die Blende des Objektivs etwas geschlossen werden. Vor allem bei hohen Vergrößerungsfaktoren führt ein Schließen der Blende allerdings sehr schnell zu Beugungseffekten und so wiederum zu einer Reduktion der Abbildungsqualität.
Zoomobjektive sind vorteilhaft bei der Suche eines kleinen Dies oder eines Bildausschnitts. Man startet mit einer höheren Brennweite und reduziert sie dann nach der Ausrichtung auf den gewünschten Bereich.

 

Die folgenden Bilder zeigen die Vergrößerungsfaktoren an einem realen, relativ großen IC. Auch hier ist links das komplette Bild und rechts eine 1:1-Abbildung dargestellt.

 

Decapping Optik Canon EF 100mm f/2,8L Macro   Decapping Optik Canon EF 100mm f/2,8L Macro

Canon EF 100mm f/2,8L Macro

 

Decapping Optik Canon EF-S 18-135mm f/3,5-5,6      Decapping Optik Canon EF-S 18-135mm f/3,5-5,6

Retroadapter / Canon EF-S 18-135mm f/3,5-5,6 / 135mm

 

Decapping Optik Canon EF-S 18-135mm f/3,5-5,6      Decapping Optik Canon EF-S 18-135mm f/3,5-5,6

Retroadapter / Canon EF-S 18-135mm f/3,5-5,6 / 18mm

 

Decapping Optik Canon EF-S 10-22mm f/3,5-4,5      Decapping Optik Canon EF-S 10-22mm f/3,5-4,5

Retroadapter / Canon EF-S 18-135mm f/3,5-5,6 / 10mm

 

Decapping Optik Canon EF-S 10-22mm f/3,5-4,5 Balgen      Decapping Optik Canon EF-S 10-22mm f/3,5-4,5 Balgen

Retroadapter / Canon EF-S 18-135mm f/3,5-5,6 / 10mm / 65mm Abstandsringe

 

Decapping Optik Canon EF-S 10-22mm f/3,5-4,5 Balgen      Decapping Optik Canon EF-S 10-22mm f/3,5-4,5 Balgen

Retroadapter / Canon EF-S 18-135mm f/3,5-5,6 / 10mm / 130mm Abstandsringe

Mit Abstandsringen erhöht sich die Abbildungsqualität nicht im gleichen Maß wie der Vergrößerungsfaktor. Nutzt man allerdings nicht die volle Pixelanzahl zur Vergrößerung der abgebildeten Strukturen aus, so bringen in dieser Konfiguration Abstandsringe bis zu 130mm noch kleine Verbesserungen der Darstellung.

Die einfallende Lichtmenge reduziert sich mit Erhöhung des Vergrößerungsfaktors beständig. Während ohne Abstandsringe bei ISO 100 noch Belichtungszeiten unter einer Sekunde möglich sind, benötigt der Aufbau mit 130mm Abstandsringen bereits Belichtungszeiten im Bereich von zehn Sekunden.

 

zurück

Ist dir dieses Kapitel etwas wert?

Jegliche Zuwendung wird reinvestiert!