Optische Kohärenztomographie

Optische Kohärenztomographie

Mess- und Abbildungsmethode

Die zerstörungsfreie Analyse und Abbildung der inneren Struktur von Materialien ist eine essentielle Aufgabenstellung in vielen industriellen Prozessen, in der Qualitätskontrolle oder in der Entwicklung neuer Materialien.

Herkömmliche zerstörungsfreie Messverfahren, wie z.B. Ultraschall, haben eine Tiefenauflösung von rund 100 µm und erzwingen oft den direkten Kontakt mit der Probe, etwa durch ein Wasserbad oder Kontaktgele.

Die optische Kohärenztomographie (OCT) ist eine optische Mess- und Abbildungsmethode, und bietet die Möglichkeit mittels Infrarotlicht kontakt- und zerstörungsfrei Querschnitte einer Probe anzufertigen. Heutzutage haben OCT Systeme eine Tiefenauflösung im Bereich von 1 – 10 µm, und es ist möglich in Echtzeit in situ und in vivo Aufnahmen des Probeninneren zu machen.
OCT basiert auf dem physikalischen Phänomen der Weißlichtinterferometrie und detektiert kleine Brechungs-indexunterschiede innerhalb der Probe. Daher liefert OCT komplementäre Informationen zu anderen bildgebenden Methoden, wie z.B. Computertomografie oder Magnetresonanz. Das physikalische Prinzip der optischen Kohärenztomografie liegt in der interferometrischen Überlagerung von Infrarotlichtwellen, die aus unterschiedlichen Probentiefen zurückgestreut werden, mit einer Referenzwelle (siehe Abb. 1a und 1b). Das detektierte Signal enthält die Information über die Tiefenposition der einzelnen Streukörper, sowie über deren Reflektivität, Geschwindigkeit oder Polarisationsverhalten. Durch die Aneinanderreihung von mehreren benachbarten Tiefenscans kann man schließlich Querschnittsbilder rekonstruieren.

Schematischer OCT-Aufbau mit interferometrischem Detektionsprinzip der reflektierten Lichtwellen

Anwendungen

Das Hauptanwendungsgebiet von OCT liegt im biomedizinischen Bereich, z.B. in der Augen- und Zahnheilkunde, Dermatologie oder Entwicklungsbiologie. Während der letzten Jahre hat sich jedoch auch die Zahl der Anwendungsgebiete außerhalb der Medizintechnik vervielfacht.
Bei RECENDT sind wir an OCT Anwendungen für das zerstörungsfreie Testen von Materialien interessiert. Dies beinhaltet die Nutzung als Werkzeug zur Qualitätsprüfung in Industrieprozessen, Werkstoffen oder Lebensmitteln, oder zur Ermittlung von komplementärer Information in der Entwicklung neuer Materialien. Beispiele sind die Detektion von Defekten in Spritzgussteilen, die Untersuchung von Fotolackformen für Mikro-Zahnräder (Abb.2), Partikelverteilungen in Laminatböden, Porenbestimmung in Schäumen (Abb. 3) oder die Vermessung von Multischicht-Lebensmittelfolien (Abb.4) oder von dünnen Beschichtungen.

Abb.2: Fotolack-Form für Mikro-Zahnräder (microresist GmbH; Design der Zahnräder: micromotion GmbH): a) OCT-Querschnittsbild; b) horizontales en-face Bild des Interfaces.
Abb.3: 3D-Rekonstruktion eines Kunststoffschaums (a,b und d) und en-face Bild (c), aufgenommen in ca. 100 µm Tiefe.

Abb.4: OCT-Bild einer Lebensmittelfolie (12 Teilschichten) mit defekter Schweißnaht (Pfeil).

Abb. 5: Projektion eines 3D OCT Volumens eines Trauerfalters.

Polarisationssensitive Optische Kohärenztomographie

Die RECENDT ist auch Pionier in der Entwicklung der polarisationssensitiven OCT (PS-OCT). Mit dieser Methode ist es möglich, zerstörungsfrei Spannungszustände im Inneren von Materialien und Produkten, z.B. von Spritzgussteilen, örtlich aufgelöst zu analysieren (Abb. 6).

Abb. 6: (a) konventionelles OCT Bild zeigt die Struktur einer Fotolack-Form für Mikro-Zahnräder, (b) PS-OCT Bild zeigt innere Spannungen und (c) Orientierung der inneren Spannungen vermessen mit PS-OCT.

Anwendungsbeispiele

Glasfaserverstärkte Kunststoffe

Möchten Sie Ihre Glasfaser-Komponenten näher betrachten?
Wollen Sie einen Blick in das Innere Ihrer Bauteile werfen, bevor Sie diese ausliefern?
Unsere OCT-Technologie macht das möglich! Sie ermöglicht, Defekte, Fehlstellen, Faserorientierung etc. lokal zu bestimmen.

3D-Druck / Generative Fertigung / additive Fertigung

Die rasanten Entwicklungen der letzten Jahre auf dem Gebiet des 3D-Drucks von Kunststoffen und Metallen und die damit verbundene Qualitätsverbesserung, erlauben immer mehr Anwendungen, auch in der Serienproduktion von kritischen Komponenten. Die OCT-Messtechnik (für Kunststoffe) oder die Laserultraschall Technologie (LUS, für Metalle) bietet dabei die Möglichkeit, die Qualität des Drucks auch inline während des Druckprozesses zu monitoren und gegebenenfalls korrigierend in den Prozess eingreifen zu können.

Polymer-Beschichtungen

Die OCT (Optische Kohärenztomographie) ermöglicht Einblicke in fast alle gängigen, in der Industrie verwendeten Kunststoffe. Als tomographisches Messverfahren liefert sie Daten der inneren Struktur um Fehlstellen, Defekte, Einschlüsse, Poren, etc. zu finden und zu charakterisieren. Damit kann nicht nur die Qualität und Funktionalität der Kunststoffprodukte kontrolliert werden, die Technologie liefert auch die relevanten Informationen um den Herstellprozess besser zu verstehen und optimieren zu können.

Darstellung mehrschichtiger Strukturen

Wie hier am Beispiel einer organischen Photovoltaik-Zelle gezeigt, können z.B. mit Hilfe der OCT (Optischer Kohärenztomographie) mehrschichtige Strukturen vermessen und analysiert werden. Organische PV-Zellen sind aus organischen Halbleitermaterialien, die die Donator- bzw. Akzeptorfunktion übernehmen, transparenten Elektroden sowie Schutzschichten aufgebaut. Daher ist ein homogener Schichtaufbau ohne Defekte, Einschlüsse, etc. für die Qualität, Funktionalität und dauerhafte Performance des Produkts häufig maßgeblich.

Point-of-Care - Diagnostik maligner Hautveränderungen (in-vivo)

Eine sofortige Befundung von Hautveränderungen kann durch den Einsatz moderner Technologien - im Idealfall durch die Kombination mehrerer Methoden - realisiert werden: so kann z.B. mittels berührungsloser Infrarot- oder Ramanspektroskopie ein spektraler/chemischer Fingerprint von Hautveränderungen erstellt werden, mittels Optischer Kohärenztomographie (OCT) werden mikrostrukturelle Hautveränderungen dargestellt.

Siegel- oder Klebeprozesse

Betreiben Sie einen Siegelprozess, z.B. für Lebensmittelverpackungen? - wir können (je nach eingesetztem Material) mit Laserultraschall oder mit OCT-Technologie die Siegelnähte inline im Prozess prüfen und vermessen. Ähnliche Prüfmöglichkeiten bieten wir für alle Klebeprozesse an, z.B. bei Hot Melt Adhesives für Verpackungen.

Blasfolien / Cast-Sheet

Die OCT-Messtechnik liefert in Echtzeit hochauflösende Bilder aus dem Inneren von Kunststoffen, z.B. hier den Schichtaufbau einer Mehrschichtfolie. Bestimmen Sie inline die Dicke der Innenlagen auf unter 1 Mikrometer genau und regeln Sie online ihren Prozess (Blasfolien oder Cast-Sheet) auf optimale Produktion!

Obst & Gemüse

Die Struktur von Obst (bzw. allgemein biologischen Proben) kann z.B. mit Hilfe von OCT (Optische Kohärenztomographie) untersucht werden, wie hier am Beispiel von Äpfeln gezeigt ist. Dadurch können Rückschlüsse auf die Haltbarkeit gezogen werden, oder Qualitätskriterien, die die Akzeptanz seitens der Konsumenten beeinflussen, bestimmt werden.

Getränke in Flaschen und Bechern

Flaschen (Glas oder Kunststoff) und Kunststoffbehälter können mit OCT (Optischer Kohärenztomographie) auf die exakte Einhaltung von Dicken oder auf etwaige Fehlstellen geprüft werden. Das hilft, hochautomatisierte Verpackungsprozesse abzusichern.

Cerealien und Coatings

In der Produktentwicklung können zerstörungsfreie Prüf- und Analysemethoden helfen, die Produkteigenschaften in Echtzeit zu beobachten und ganz neue Erkenntnisse zu gewinnen. Am abgebildeten Beispiel sehen Sie die Oberflächenstruktur von Frühstückscerealien mit unterschiedlichen Zuckercoatings, dargestellt mittels  OCT (Optischer Kohärenztomographie). Derartige Aufnahmen sind auch als Realtime-Video möglich, die das Verhalten während der Hydration zeigen.

Mehrschichtsysteme und Schweissnähte in Folien

Vielschichtigen Folien kommt vor allem in der Lebensmittelindustrie große Bedeutung zu. Dabei beeinflusst z.B. die Dicke und Homogenität von Barriereschichten die Haltbarkeit der Lebensmittel ganz entscheidend. Mit Hilfe der OCT-Technologie können Sie die Dicken der Einzelschichten inline während des Prozesses hochauflösend vermessen, aber auch Delaminationen und Schweißnähte in Echtzeit sehen bzw. prüfen und gegebenenfalls den Produktionsprozess mit Hilfe der Messdaten optimal regeln.

Kunststoffteile

OCT-Messtechnik kann zum online-Monitoring dynamischer Prozesse eingesetzt werden, da die Methode Bilder in Echtzeit generiert. Visualisieren Sie innere Spannungen in Kunststoffteilen und vermeiden Sie so Probleme bei Ihren Bauteilen!

Faserrichtungen in Composite-Werkstoffen

Möchten Sie gerne mehr über das Innenleben Ihrer faserverstärkten Kunststoffen erfahren? Sind die Anisotropien Ihrer Bauteile von Interesse oder müssen Sie die Ausrichtung der Fasern im Inneren eines CFRP-Spritzgießbauteils bestimmen?
Wir können mittels Terahertz-Technologie (THz) oder OCT-Messtechnik oder auch mittels Laserultraschall dabei helfen!

Polymer-Extrusion

Nahezu jedes Kunststoffprodukt durchläuft während seiner Produktion mindestens einmal einen Extrusionsprozess. Das Strömungsverhalten des Kunststoffes bzw. die Scherkräfte in den Extrudern und Düsen bestimmen dabei maßgeblich die mechanischen Eigenschaften des Endprodukts. Mit Hilfe der Doppler-OCT (Bild rechts) und der zeitaufgelösten OCT („partikel image velocimetry“, Bild links) ist es möglich Strömungen im Herstellungsprozess zu vermessen, um mit den gewonnen Daten Simulationsmodelle und Werkzeuge zu optimieren.

Prüfung von Oberflächen und Topographien

Wie hier am Beispiel einer Münze gezeigt, kann die Topographie oder Rauheit (Parameter vgl. ISO 25178) einer Probe sehr einfach mittels Optischer Kohärenztomographie (OCT) bestimmt werden. Der große Vorteil von OCT gegenüber anderen Methoden ist dabei die Möglichkeit auch steile Flanken zu vermessen. Die Genauigkeit bei der Vermessung von Höhenprofilen liegt dabei unter 1 Mikrometer.

Beschichtungstechnik

In mehrlagigen Beschichtungen übernehmen oft einzelne Schichten unterschiedliche Funktionen wie z.B. Schutz vor mechanischen Belastungen, Korrosionsschutz, Klebeschichten, etc. Daher ist ein homogener Schichtaufbau ohne Defekte, Einschlüsse, etc. für die Qualität und Funktionalität des Produkts häufig maßgeblich. OCT (Optische Kohärenztomographie) beispielsweise ermöglich es, wie hier am Beispiel von beschichtetem Papier gezeigt, die Dicke von Beschichtungen hochgenau zu vermessen (auch bei mehrlagigen Beschichtungen).

Bionische Oberflächen / funktionalisierte Oberflächen

In einer Forschungskooperation gemeinsam mit dem Institute of Biomedical Mechatronics  (Johannes Kepler Universität, Linz) gelang es, die Struktur der Haut der texanischen Krötenechse künstlich nachzubauen, deren einzigartige Struktur kondensiertes Wasser zum Mund des Tieres leitet. Wesentlich für diesen Erfolg war die erfolgreiche Anwendung von OCT als Instrument zur Abbildung und Charakterisierung der Oberfläche, um das Verständnis der Funktionalität der Oberfläche zu ermöglichen. Anwendungen für ähnliche "funktionalisierte Oberflächen" sind „Lab-on-chip“-Applikationen, Wundauflagen, Gewebefasern oder aber die Verteilung von Schmiermitteln auf Gleitlagern.

Vermessung Laserstrukturierter Oberflächen

Mittels Laserbasierten Verfahren können Oberflächen für unterschiedlichste Zwecke strukturiert werden. Die OCT-Technologie (Optische Kohärenztomographie) kann perfekt dazu eingesetzt werden, derartige Strukturen im Mikrometerbereich abzubilden (wie z.B. die hier gezeigten mikroskopischen Laserbohrlöcher) und zu vermessen - ggf. auch online und in Echtzeit während der Bearbeitung.

Tabletten-Coating

Im Prozess des Tabletten-Coatings stellen wir Ihnen mit unserer patentierten OCT-Technologie ein inline-integrierbares Messsystem zur Verfügung, mit dem Sie den Coating-Prozess punktgenau regeln, überwachen und optimieren können!

GMP - Good Manufacturing Practice

Um die Sicherheit und Gesundheit der Konsumenten von pharmazeutischen Produkten zu gewährleisten, wurde in den letzten Jahren ein strenges Regelwerk seitens der Regulatoren eingeführt. Neben der Good Manufacturing Practice (GMP) und der Quality by Design (QbD) kommt der Process Analytical Technology (PAT) dabei eine zentrale Rolle zu. Mit der OCT bietet die RECENDT (gemeinsam mit dem Research Center Pharmaceutical Engineering, RCPE, Graz) ein weltweit einzigartiges Tool das sowohl inline, atline als auch offline einsetzbar ist, um z.B. die Schichtdicke von Tablettenbeschichtungen während des Beschichtungsprozesses zu vermessen und damit den Prozess zu steuern.

Analytik für Papier & Papierindustrie

Papier ist ein extrem vielfältiges Material – und ebenso vielfältig sind die analytischen Fragestellungen und Charakterisierungs-Wünsche die für die Papiererzeugung und -verarbeitung sowie die Anwender relevant sind! Wir können in vielen Fällen unterstützen: z.B. bei chemischer Analytik (auch direkt inline im Produktionsprozess) oder bei der Charakterisierung von Oberflächen und Fasern, des Saugverhaltens und der Anisotropie… Unsere Methoden (IR&Raman-Spektroskopie, THz-Spektroskopie, OCT, Ultraschall) sind beinahe so universell einsetzbar wie der Werkstoff!

Partikeleinbettung in Lackschichten

In Lackschichten (oder ähnlichen Beschichtungen) übernehmen häufig eingebettete Partikel (unterschiedlichster Materialien) wesentliche Aufgaben für die Funktionalisierung der Schicht – oder einfach nur für die perfekte Optik einer Automobil-Metallic-Lackierung. Mit der kostengünstigen OCT-Methode können wir die Partikeleinbettung überwachen und charakterisieren und somit helfen, die Produktionsprozesse abzusichern und optimiert zu regeln.