Metrologia mikro i nano obiektów ma ogromne znaczenie zarówno dla przemysłu, jak i badaczy. Rzeczywiście, miniaturyzacja obiektów stanowi nowe wyzwanie dla metrologii optycznej. Ogólnie definiuje się mikrosystemy elektromechaniczne (MEMS) jako zminiaturyzowane systemy elektromechaniczne i zwykle obejmują komponenty, takie jak mikroczujniki, mikrosiłowniki, mikroelektronika i mikrostruktury. Znalazł wiele zastosowań w różnych dziedzinach, takich jak biotechnologia, medycyna, komunikacja i czujniki1. W ostatnim czasie rosnąca złożoność, a także postępująca miniaturyzacja cech obiektów testowych wymagają opracowania odpowiednich technik charakterystyki MEMS. Wysokowydajna produkcja tych złożonych mikrosystemów wymaga wdrożenia zaawansowanych technik pomiarowych inline w celu ilościowego określenia charakterystycznych parametrów i powiązanych wad spowodowanych warunkami procesu2. Na przykład odchylenie parametrów geometrycznych w urządzeniu MEMS wpływa na właściwości systemu i musi zostać scharakteryzowane. Ponadto przemysł wymaga wysokiej rozdzielczości pomiarów, takich jak pełna metrologia trójwymiarowa (3D), duże pole widzenia, wysoka rozdzielczość obrazowania i analiza w czasie rzeczywistym. Dlatego tak ważne jest zapewnienie niezawodnego procesu kontroli jakości i inspekcji. Co więcej, wymaga to, aby system pomiarowy był łatwy do wdrożenia na linii produkcyjnej, a tym samym stosunkowo kompaktowy, aby można go było zainstalować na istniejącej infrastrukturze.
Holografia, która została po raz pierwszy wprowadzona przez Gabora3, to technika, która pozwala na odzyskanie pełnej informacji ilościowej obiektu poprzez rejestrację interferencji między odniesieniem a falą obiektu do medium światłoczułego. Podczas tego procesu, znanego jako nagrywanie, amplituda, faza i polaryzacja pola są przechowywane w ośrodku. Następnie pole fali obiektu można odzyskać, wysyłając wiązkę referencyjną na ośrodek, w procesie znanym jako optyczny odczyt hologramu. Ponieważ konwencjonalny detektor rejestruje tylko intensywność fali, holografia była przedmiotem dużego zainteresowania w ciągu ostatnich pięćdziesięciu lat, ponieważ daje dostęp do dodatkowych informacji na temat pola elektrycznego. Jednak kilka aspektów konwencjonalnej holografii sprawia, że jest ona niepraktyczna w zastosowaniach przemysłowych. Rzeczywiście, materiały światłoczułe są drogie, a proces nagrywania na ogół wymaga wysokiego stopnia stabilności. Postępy w dziedzinie czujników kamer o wysokiej rozdzielczości, takich jak urządzenia ze sprzężeniem naładowanym (CCD), otworzyły nowe podejście do metrologii cyfrowej. Jedna z tych technik jest znana jako holografia cyfrowa4. W holografii cyfrowej (DH) hologram jest rejestrowany na kamerze (nośniku zapisu), a procesy numeryczne są wykorzystywane do rekonstrukcji informacji o fazie i intensywności. Podobnie jak w przypadku konwencjonalnej holografii, wynik można uzyskać po dwóch głównych procedurach: rejestracji i rekonstrukcji, jak pokazano na rycinie 1. Jeśli jednak zapis jest podobny do konwencjonalnej holografii, rekonstrukcja jest tylko numeryczna5. Proces rekonstrukcji numerycznej przedstawiono na rysunku 2. W procesie rekonstrukcji wykonywane są dwie procedury. Po pierwsze, pole fali obiektu jest pobierane z hologramu. Hologram jest mnożony przez numeryczną falę referencyjną, aby uzyskać czoło fali obiektu na płaszczyźnie hologramu. Po drugie, czoło fali obiektu złożonego jest propagowane numerycznie do płaszczyzny obrazu. W naszym systemie ten krok jest wykonywany przy użyciu metody konwolucyjnej6. Uzyskane zrekonstruowane pole jest funkcją złożoną, a zatem można wyodrębnić fazę i intensywność, dostarczając ilościowych informacji o wysokości obiektu zainteresowania. Możliwość przechowywania informacji w całym polu w metodzie holografii oraz wykorzystanie technologii komputerowej do szybkiego przetwarzania danych oferują większą elastyczność w konfiguracji eksperymentalnej i znacznie zwiększają szybkość procesu eksperymentalnego, otwierając nowe możliwości rozwoju DH jako dynamicznego narzędzia metrologicznego dla MEMS i mikrosystemów7,8.
Zastosowanie holografii cyfrowej w obrazowaniu z kontrastem fazowym jest obecnie dobrze znane i po raz pierwszy zostało zaprezentowane ponad dziesięć lat temu9. Rzeczywiście, badania urządzeń mikroskopowych poprzez połączenie holografii cyfrowej i mikroskopii przeprowadzono w wielu badaniach10, 11, 12, 13. Przedstawiono kilka układów opartych na źródłach o wysokiej koherencji14 i niskiej koherencji15 oraz różnych typach geometrii13, 16, 17 (w linii, poza osią, wspólna ścieżka...). Ponadto holografia cyfrowa in line była już wcześniej stosowana w charakterystyce urządzenia MEMS18, 19. Jednak systemy te są na ogół trudne do wdrożenia i nieporęczne, co czyni je nieodpowiednimi do zastosowań przemysłowych. W tym badaniu proponujemy kompaktowy, prosty i bezsoczewkowy system oparty na holografii cyfrowej poza osią, zdolny do kontroli i charakteryzacji MEMS w czasie rzeczywistym. Kompaktowy cyfrowy mikroskop holograficzny (CDHM) to cyfrowy system holograficzny bez soczewek opracowany i opatentowany w celu uzyskania morfologii 3D mikroobiektów zwierciadlana. W naszym systemie laser diodowy o mocy 10 mW, bardzo stabilny, sterowany temperaturą, pracujący przy długości fali 638 nm, jest sprzężony ze światłowodem jednomodowym. Jak pokazano na rysunku 3, wiązka rozchodząca się wychodząca ze światłowodu jest dzielona na wiązkę odniesienia i wiązkę obiektu za pomocą rozdzielacza wiązki. Ścieżka wiązki referencyjnej składa się z pochylonego lustra w celu realizacji geometrii poza osią. Wiązka obiektu jest rozpraszana i odbijana przez próbkę. Dwie wiązki interferują z matrycą CCD, dając hologram. Wzór interferencyjny nadrukowany na obrazie nazywany jest nośnikiem przestrzennym i umożliwia odzyskanie ilościowych informacji o fazie za pomocą tylko jednego obrazu. Rekonstrukcja numeryczna jest wykonywana przy użyciu wspólnego algorytmu transformaty i konwolucji Fouriera, jak wspomniano wcześniej. Konfiguracja bez soczewek ma kilka zalet, które czynią ją atrakcyjną. Ponieważ nie są używane żadne soczewki, wiązka wejściowa jest falą rozbieżną, która zapewnia naturalne powiększenie geometryczne, a tym samym poprawia rozdzielczość systemu. Ponadto jest wolny od aberracji spotykanych w typowych układach optycznych. Jak widać na rysunku 3B, system może być kompaktowy (55x75x125 mm3), lekki (400 g), a tym samym można go łatwo zintegrować z przemysłowymi liniami produkcyjnymi.