Um kleine Strukturen bis in den Sub-Mikrometerbereich optisch erfassen zu können, ist ein entsprechender Mikroskop-Aufbau unerlässlich. Nur mit einem solchen Aufbau können Details kleiner als 1 µm erkannt werden, was auf die hohe Apertur des Strahlengangs zurückzuführen ist. Die Apertur wird auch Lichtöffnung oder Blende genannt.
Eine hohe Apertur führt jedoch auch zu einer geringen Tiefenschärfe der Bilder, die oft sogar deutlich kleiner ist als die Strukturtiefen, die gemessen werden sollen. Dieser Effekt ist auch aus der Fotografie bekannt: Mit einer großen Blende ist die Tiefenschärfe sehr klein und mit einer kleinen Blende sehr groß. Daher ist für diese hohen Auflösungen ein Tiefenscan unbedingt notwendig.
Aufbauend auf diesem grundlegenden Mikroskop-Aufbau haben sich drei Messverfahren entwickelt: die Fokus-Variation, die Weißlicht-Interferometrie und die konfokale Mikroskopie.
Alternative optische Messverfahren, die mit kleineren Aperturen arbeiten, um die gesamte Struktur in der Tiefe zu erfassen, sind beispielsweise die Lichtstreifenprojektion, die Triangulation oder die Stereoskopie. Diese Methoden bieten jedoch eine geringere Auflösung und erfassen die Strukturen daher weniger präzise.
Bei der Fokus-Variation wird die geringe Schärfentiefe der Optik ausgenutzt, um Informationen über die Tiefe zu gewinnen.
Die Aufnahme erfolgt im Detail wie folgt: Während des Scans wird die zu erfassende Struktur aus verschiedenen Fokuspositionen aufgenommen. Dabei beginnt man oberhalb der Struktur und nimmt in festen Abständen – beispielsweise alle 2 µm – ein Bild auf. Anschließend wird für jedes Pixel der Bildebene der Kontrastwert entlang der Z-Achse analysiert. Die z-Position eines Pixels entspricht dem Punkt, an dem der Kontrast am höchsten ist. Sind die z-Positionen aller Pixel der Bildebene ermittelt, kann ein 3D-Modell erstellt werden.
Ein großer Vorteil der Fokusvariation gegenüber der Weißlicht-Interferometrie und der konfokalen Mikroskopie ist, dass Messungen mit einer Ringbeleuchtung durchgeführt werden können. Dadurch können auch steile Flanken so beleuchtet werden, dass Licht ins Mikroskopobjektiv zurückreflektiert wird. Genau das ist aber die Voraussetzung dafür, dass überhaupt etwas erfasst wird.
Die Weißlicht-Interferometrie und die konfokale Mikroskopie arbeiten dagegen prinzipbedingt nur mit koaxialer Beleuchtung. Hier erscheinen steile Flanken schwarz, wodurch die Struktur an diesen Stellen nicht erfasst werden kann. Die Software dieser Mikroskope interpoliert, also „schätzt”, den Oberflächenverlauf. Das hat zur Folge, dass das Schöpfvolumen falsch bestimmt wird.
Die Fokusvariation hat folgende Einschränkung: Das Verfahren liefert nur an Stellen Messwerte, an denen ein Kontrast ermittelt werden kann. Eine spiegelblanke Oberfläche liefert beispielsweise keine Messwerte. Solche Oberflächen können jedoch vorbehandelt werden, indem sie beispielsweise gezielt verschmutzt oder aufgeraut werden. Das DotScope ist sehr empfindlich, sodass häufig allein die Rauigkeit einer Chromfläche ausreicht, um genügend Informationen zu liefern. Eine Spiegeloberfläche könnte man beispielsweise mit einem einfachen Fingerabdruck verschmutzen, sodass diese dann gemessen werden kann.
Bei Weißlicht-Interferometern nutzt man einen Interferenz-Effekt zur Tiefenbestimmung. Auch hierbei wird in Tiefenrichtung gescannt. Sobald sich die Struktur in der Messhöhe befindet, entstehen starke Helligkeitsschwankungen (sofern Licht zurückreflektiert wird, s. o.). Diese Schwankungen sind sehr kurzwellig, weshalb Bilder im Abstand von ca. 0,1 µm aufgenommen werden müssen, um sie sicher zu detektieren. Im Gegensatz zur Fokusvariation kann diese Schrittweite kaum verändert werden. So müssen beispielsweise für einen Scan von 100 µm beim Interferometer 1000 Bilder aufgenommen werden, bei der Fokusvariation hingegen typischerweise 20 Bilder bei einem 5-fach-Objektiv und 100 Bilder bei einem 20-fach-Objektiv. Das heißt, das Weißlicht-Interferometer muss sehr viel mehr Bilder aufnehmen, übertragen und verarbeiten. Zudem ist das Interferometer um den Faktor 10 bis 50 empfindlicher gegenüber mechanischen Vibrationen, die zu fehlerhaften Detektionen führen.
Die Fokusvariation ist somit das einfachere und robustere Verfahren, das zudem eine vollständigere Erfassung typischer Druckwalzen ermöglicht.
