Name: Kompaktowy cyfrowy mikroskop holograficzny bez soczewek do kontroli i charakteryzacji MEMS (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-07-05T15:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 28 s
Description: Poznaj metodę holograficzną bez soczewek do kontroli i charakteryzacji struktur MEMS w przemyśle półprzewodnikowym. System CDHM umożliwia pełnopolowe, bezkontaktowe pomiary 3D w czasie rzeczywistym.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy nie mają żadnych podziękowań.

1. Wstępne przygotowanie pomiaru
Uwaga: Próbka użyta w eksperymencie to elektroda MEMS. Złote elektrody są wytwarzane na płytce krzemowej w procesie lift-off. Próbka jest płytką o wymiarach 18 mm x 18 mm ze strukturami okresowymi (elektrodami) o okresie 1 mm
<ol>
	<li>Zaloguj się do dziennika przed rozpoczęciem korzystania z systemu.</li>
	<li>Włącz komputer, LASER i moc sceny tłumaczenia.</li>
	<li>Umieścić próbkę elektrody/mikromembrany MEMS.
	<ol>
		<li>Umieść próbkę MEMS na środku uchwytu próbki za pomocą pęsety.</li>
		<li>Wyreguluj uchwyt próbki, aby ustawić elektrody na ścieżce wiązki. Maksymalne pole pomiarowe view jest definiowane przez rozmiar matrycy kamery. Jest to prostokąt o wymiarach 2,3 mm x 1,8 mm.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Korzystając ze zmotoryzowanego stolika w kierunku pionowym, odsuń system na odległość około 1,5 cm od próbki.</li>
</ol>
2. Dostosowanie ustawień oprogramowania
<ol>
	<li>Otwórz oprogramowanie 3DView. 3DView to nasz autorski program opracowany w języku C++.</li>
	<li>Kliknij przycisk źródła obrazowania, aby wybrać odpowiednią kamerę do eksperymentu. Wybierz monochromatyczną kamerę CCD. Unikaj kolorowej kamery w tej konfiguracji, ponieważ używany jest monochromatyczny laser diodowy. Dodatkowo, dla tej samej liczby pikseli, rozdzielczość byłaby niższa w przypadku korzystania z kamer kolorowych.
	<ol>
		<li>Na karcie ustawień urządzenia wybierz format wideo Y800 (1 280 x 960) i szybkość wideo 15 klatek na sekundę.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Kliknij żółty przycisk odtwarzania, aby uruchomić kamerę. Powinien pojawić się obraz obiektu z nadrukowanymi wzorami frędzli (Hologram).
	<ol>
		<li>W razie potrzeby dostosuj optymalne parametry wzmocnienia i ekspozycji, aby uniknąć nasycenia obrazu.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Korzystając z widoku kamery okiennej wideo na żywo, dostosuj pozycję próbki, aby wybrać dokładny obszar do zbadania na próbce.</li>
	<li>Otwórz zakładkę ustawień.
	<ol>
		<li>W zakładce konfiguracji wybierz rodzaj powierzchni (odblaskowa lub przezroczysta), długość fali lasera oraz rozmiar piksela kamery. Laser jest laserem diodowym pracującym na długości fali 633 nm. Rozmiar piksela kamery wynosi 4 650 nm. Próbka jest elektrodą zwierciadlaną MEMS, dlatego należy wybrać tryb odbicia. 
		Uwaga: Konfiguracja CDHM pozwala na pomiar tylko powierzchni odbijających światło. Oprogramowanie może być jednak również używane do pomiaru przezroczystych próbek, gdy używany jest inny system holografii cyfrowej13. Zmiana tego ustawienia powoduje zmianę wzoru obliczania wysokości z fazy. Rzeczywiście, obliczanie różnicy ścieżki optycznej jest nieco inne dla próbek przezroczystych, ponieważ obejmuje współczynnik załamania światła obiektu.</li>
		<li>Wybierz algorytm rekonstrukcji konwolucji i ustaw odległość rekonstrukcji na zero. Wybierz krok rekonstrukcji 1 lub 2, 
		Uwaga: Parametr odległości rekonstrukcji można zdefiniować później, biorąc pod uwagę obraz intensywności uzyskany z hologramu i korzystając z autofokusa. Etap rekonstrukcji określa liczbę kroków używanych do realizacji całki Fresnela i symulacji propagacji belki. Pierwsza metoda oblicza całkę raz jako pojedynczą transformatę Fouriera. Krok 2 spowoduje dwukrotne oszacowanie całki. Zwiększa to elastyczność odstępów między siatkami, ale jest mniej wydajne obliczeniowo20.</li>
		<li>Na karcie przetwarzania końcowego wybierz algorytm rozpakowywania niezbędny do uzyskania końcowego rozpakowanego obrazu. Wybierz algorytm mapowania jakości. 
		Uwaga: W oprogramowaniu można dokonać wyboru między algorytmem Goldstein a algorytmem Quality Mapped . Ten ostatni wykazał się solidnym i szybkim przestrzennym odwijaniem fazy. Algorytm mapowania jakości opiera się na kierowanym rozpakowywaniu fazy, jak opisano w punkcie 21.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Akwizycja danych
<ol>
	<li>Naciśnij ikonę transformaty Fouriera, aby otworzyć okno widma Fouriera. Powinno pojawić się jedno zlecenie 0 i dwa zlecenia +1, -1. Jeśli tak nie jest, sprawdź, czy próbka jest we właściwej pozycji i ponownie dostosuj wzmocnienie i czas ekspozycji.</li>
	<li>Zatrzymaj tryb pomiaru na żywo. Wybierz jeden z rzędów dyfrakcji (częstotliwość dodatnia lub ujemna) za pomocą narzędzia filtrującego. Wybrany obszar powinien być na tyle duży, aby obecne były wszystkie częstotliwości potrzebne do odzyskania fazy. Ponownie włącz tryb na żywo. 
	Uwaga: Wybór kolejności ujemnej wpłynie tylko na znak fazy w wyniku końcowym, tj. ostateczny obraz 3D zostanie odwrócony.</li>
	<li>Otwórz okno fazy. Sprawdź, czy tryb nierozpakowywania nie jest włączony. Powinien pojawić się obraz fazy szarości obiektu z nadrukowanymi owiniętymi frędzlami.</li>
	<li>Wykorzystaj zmotoryzowany stolik pionowy, aby zmniejszyć liczbę prążków na obrazie fazy. Gdy na obrazie pozostaną tylko 1 lub 2 prążki, zatrzymaj zmotoryzowany stage. 
	Uwaga: System oparty jest na interferometrii. Jest więc wrażliwy na wibracje. Po przesunięciu zmotoryzowanego stolika w kierunku z użytkownik powinien odczekać 1 lub 2 sekundy, zanim ponownie pojawi się obraz zawijonej fazy. Ważne jest również, aby unikać wibracji podczas pomiaru, aby uzyskać stabilny obraz fazowy.</li>
	<li>Kliknij przycisk autofokusa22, aby znaleźć najlepszą odległość rekonstrukcji. Może być konieczne kilkakrotne użycie autofokusa, aby zbliżyć się do optymalnej odległości rekonstrukcji, aż obraz o intensywności będzie ostry i wyraźny. Autofokus opiera się na wydajnej i efektywnej czasowo metodzie widma kątowego, jak opisano w 22. 
	Uwaga: Suwak ostrości może być używany do precyzyjnej regulacji. Następnie kliknij przycisk centralnego ogniskowania, aby zarejestrować aktualną odległość rekonstrukcji. Czasami wydaje się, że najlepsza ostrość nie znajduje się w opcji autofokusa. W takim przypadku ręcznie wprowadź odległość rekonstrukcji, aby znaleźć najlepszą ostrość.</li>
	<li>Włącz tryb rozpakowany, aby zobaczyć obraz fazy rozpakowanej, klikając przycisk rozpakowywania.</li>
</ol>
4. Wizualizacja i analiza danych do pomiarów statycznych
<ol>
	<li>Otwórz okno obrazu 3D, aby wyświetlić ostateczny obraz 3D próbki. Skorzystaj z dostępnych opcji, aby obserwować efekt końcowy (obrót, kolorowa mapa, wyświetlanie skali...).</li>
	<li>Kliknij przycisk kafelków okien, aby ułożyć okna tak, aby nie nakładały się na siebie i wyświetliły wszystkie okna pomiarów.</li>
	<li>Użyj linijki linii, aby narysować linię w obszarze zainteresowania na nieopakowanym obrazie fazy. W oknie wykresu liniowego można zaobserwować wykres profilu przekroju poprzecznego obszaru zainteresowania. Użyj dwóch znaczników zielonej linii, aby wyodrębnić przybliżoną wysokość obiektu (Rysunek 5). 
	Chropowatość powierzchni można również uzyskać na płaskiej górnej części próbki.</li>
	<li>Zapisz obraz ostatniej fazy w programie . JPEG, aby w razie potrzeby zaimportować go do innego oprogramowania.</li>
</ol>
5. Przygotowanie próbki i analiza danych do pomiaru dynamicznego
<ol>
	<li>Umieść mikromembranę na płycie stacji grzewczej. Próbka nie zostanie usunięta z płytki do czasu zakończenia eksperymentu.</li>
	<li>Zapisać hologram mikromembrany w temperaturze otoczenia, postępując zgodnie z procedurą opisaną powyżej w sekcjach 2 i 3. Będzie on służył jako odniesienie do analizy odkształceń.</li>
	<li>Zapisz dane faz na komputerze.</li>
	<li>Włącz laboratoryjną płytę grzewczą.</li>
	<li>Za pomocą pokrętła temperatury zmieniaj temperaturę w krokach co 50 °C od 50 °C do 300 °C. Dla każdego kroku temperatury zapisz obraz mapy faz w programie . Format JPEG.</li>
	<li>Odejmij początkową mapę faz temperatury otoczenia od drugiej zarejestrowanej mapy faz, aby uzyskać dane o odkształceniach. 
	Uwaga: Ten krok przetwarzania końcowego można zrealizować za pomocą prostego kodu MATLAB. Uzyskane różne fazy są ładowane do MATLABA i wykonywane jest proste odejmowanie macierzy. Następnie można uzyskać wykresy przekroju poprzecznego różnych etapów deformacji.</li>
</ol>

<ol><li>Maluf, N. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMaluf%2C+N+%22An+introduction+to+Microelectromechanical+Systems%22">An introduction to Microelectromechanical Systems</a>. , Artech House. Boston. (2002).</li>
<li>Novak, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((MEMS+metrology+techniques%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+SPIE%22%5BJournal%5D)">MEMS metrology techniques.</a> Proc. SPIE. 5716, 173-181 (2005).</li>
<li>Gabor, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+New+Microscopic+Principle%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">A New Microscopic Principle.</a> Nature. 161 (4098), 777-778 (1948).</li>
<li>Schnars, U., Jüptner, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+recording+of+holograms+by+a+CCD+target+and+numerical+reconstruction%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Opt%22%5BJournal%5D)">Direct recording of holograms by a CCD target and numerical reconstruction.</a> Appl. Opt. 33 (2), 179-181 (1994).</li>
<li>Schnars, U., Jüptner, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Digital+recording+and+numerical+reconstruction+of+holograms%5BTitle%5D)+AND+%22Meas.+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Digital recording and numerical reconstruction of holograms.</a> Meas. Sci. Technol. 13 (9), 85-101 (2002).</li>
<li>Pedrini, G., Schedin, S., Tiziani, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lensless+digital+holographic+interferometry+for+the+measurement+of+large+objects%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Commun%22%5BJournal%5D)">Lensless digital holographic interferometry for the measurement of large objects.</a> Opt. Commun. 171 (1-3), 29-36 (1999).</li>
<li>Dubois, F., Joannes, L., Legros, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improved+three-dimensional+imaging+with+a+digital+holography+microscope+with+a+source+of+partial+spatial+coherence%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Opt%22%5BJournal%5D)">Improved three-dimensional imaging with a digital holography microscope with a source of partial spatial coherence.</a> Appl. Opt. 38 (34), 7085-7094 (1999).</li>
<li>Lei, X., Xiaoyuan, P., Jianmin, M., Asundi, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Studies+of+digital+microscopic+holography+with+applications+to+microstructure+testing%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Opt%22%5BJournal%5D)">Studies of digital microscopic holography with applications to microstructure testing.</a> Appl. Opt. 40 (28), 5046-5051 (2001).</li>
<li>Cuche, E., Bevilacqua, F., Depeursinge, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Digital+holography+for+quantitative+phase-contrast+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Digital holography for quantitative phase-contrast imaging.</a> Opt. Lett. 24 (5), 291-293 (1999).</li>
<li>Qu, W., Yu, Y., Chee Oi, C., Raj Singh, V., Asundi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quasi-physical+phase+compensation+in+digital+holographic+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Opt.+Soc.+Am%22%5BJournal%5D)">Quasi-physical phase compensation in digital holographic microscopy.</a> J. Opt. Soc. Am. 26 (9), 2005-2011 (2009).</li>
<li>Schedin, S., Pedrini, G., Tiziani, H. J., Santoyo, F. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simultaneous+three-dimensional+dynamic+deformation+measurements+with+pulsed+digital+holography%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Opt%22%5BJournal%5D)">Simultaneous three-dimensional dynamic deformation measurements with pulsed digital holography.</a> Appl. Opt. 38 (34), 7056-7062 (1999).</li>
<li>Lei, X., Xiaoyuan, P., Jianmin, M., Asundi, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+and+validation+of+digital+microholo+interferometric+system+for+micromechanical+testing%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+SPIE%22%5BJournal%5D)">Development and validation of digital microholo interferometric system for micromechanical testing.</a> Proc. SPIE. 4778, 11-20 (2002).</li>
<li>Qu, W., Bhattacharya, K., Choo, C. O., Yu, Y., Asundi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transmission+digital+holographic+microscopy+based+on+a+beam-splitter+cube+interferometer%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Opt%22%5BJournal%5D)">Transmission digital holographic microscopy based on a beam-splitter cube interferometer.</a> Appl. Opt. 48 (15), 2778-2783 (2009).</li>
<li>Potcoava, M. C., Kim, M. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fingerprint+biometry+applications+of+digital+holography+and+low-coherence+interferography%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Opt%22%5BJournal%5D)">Fingerprint biometry applications of digital holography and low-coherence interferography.</a> Appl. Opt. 48 (34), 9-15 (2009).</li>
<li>Kolman, P., Chmelìk, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Coherence-controlled+holographic+microscope%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Coherence-controlled holographic microscope.</a> Opt. Express. 18 (21), 21990-22003 (2010).</li>
<li>Lee, M., Yaglidere, O., Ozcan, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Field-portable+reflection+and+transmission+microscopy+based+on+lensless+holography%5BTitle%5D)+AND+%22Biomed.+Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Field-portable reflection and transmission microscopy based on lensless holography.</a> Biomed. Opt. Express. 2 (9), 2721-2730 (2011).</li>
<li>Mico, V., Zalevsky, Z., Garcìa, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Common-path+phase-shifting+digital+holographic+microscopy%3A+a+way+to+quantitative+phase+imaging+and+superresolution%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Commun%22%5BJournal%5D)">Common-path phase-shifting digital holographic microscopy: a way to quantitative phase imaging and superresolution.</a> Opt. Commun. 281 (17), 4273-4281 (2008).</li>
<li>Singh, V. R., Miao, J., Wang, Z., Hedge, G. M., Asundi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamic+characterization+of+MEMS+diaphragm+using+time+averaged+in-line+digital+holography%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Commun%22%5BJournal%5D)">Dynamic characterization of MEMS diaphragm using time averaged in-line digital holography.</a> Opt. Commun. 280 (2), 285-290 (2007).</li>
<li>Singh, V. R., Anderi, A., Gorecki, C., Nieradko, L., Asundi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+MEMS+cantilevers+lensless+digital+holographic+microscope%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+SPIE%22%5BJournal%5D)">Characterization of MEMS cantilevers lensless digital holographic microscope.</a> Proc. SPIE. 6995, 69950F-1(2008).</li>
<li>Schmidt, J. D. Numerical Simulation of Optical Wave Propagation with Examples in MATLAB. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aSchmidt%2C+JD+%22SPIE+PRESS+BOOK%22">SPIE PRESS BOOK</a>. , (2010).</li>
<li>Zhao, M., Huang, L., Zhang, Q. C., Su, X. Y., Asundi, A., Qian, K. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quality-guided+phase+unwrapping+technique%3A+comparison+of+quality+maps+and+guiding+strategies%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Opt%22%5BJournal%5D)">Quality-guided phase unwrapping technique: comparison of quality maps and guiding strategies.</a> Appl. Opt. 50 (33), 6214-6224 (2011).</li>
<li>Wang, Z., Qu, W., Yang, F., Wen, Y., Asundi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+autofocus+method+based+on+angular+spectrum+method+in+digital+holography%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+SPIE%22%5BJournal%5D)">A new autofocus method based on angular spectrum method in digital holography.</a> Proc. SPIE. 9449, 2-7 (2015).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

W tym przeglądzie przedstawiamy protokół umożliwiający dokładne odtworzenie morfologii ilościowej różnych urządzeń MEMS przy użyciu kompaktowego systemu opartego na holografii cyfrowej. Zademonstrowano charakterystykę MEMS zarówno w trybie statycznym, jak i dynamicznym. Uzyskiwane są ilościowe dane 3D mikrokanałowego MEMS. W celu sprawdzenia dokładności systemu porównano wyniki między CDHM a AFM. Stwierdzono dobrą zgodność, co oznacza, że holografia cyfrowa może być niezawodną techniką obrazowania 3D. Wyniki wskazują, że...

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.

<table><tbody><tr><td>Kamera 2 MP</td><td>Źródło obrazowania</td><td>DMX 41BU02</td><td>służy do nagrywania hologramu. 4.65&nbsp; mikrony rozmiar piksela</td></tr><tr><td>Zmotoryzowany etap translacji X,Y,Z</td><td>Zaber Technology&nbsp;</td><td>TLS28-M</td><td>Uchwyt do systemu&nbsp;</td></tr><tr><td>Rozdzielacz wiązki</td><td>Edmund optics</td><td>49-003</td><td>Cube Rozdzielacz wiązki. Oddziel i ponownie połącz obiekt i wiązkę odniesienia</td></tr><tr><td>Laser&nbsp;</td><td>Mikro systemy laserowe, Inc.</td><td>SRT-F635S-20/OSYS</td><td>Lustro lasera diodowego</td></tr><tr><td></td><td>Edmund Optics</td><td>#43-412-566</td><td>1" Średnica 1" Chronione złoto, &lambda;/20 Płaski</td></tr><tr><td>światłowód jednomodowy</td> Zerodur <td>Thorlabs</td><td>S405-XP</td><td>Światłowód jednomodowy, 400 - 680 nm, &Oslash; 125 &micro; m Okładzina</td></tr><tr><td>Uchwyt na próbki</td><td>Edmund Optics</td><td>#39-930</td><td>Idealna platforma pozycjonująca, &plusmn; 35&nbsp; mm Skok zarówno w X, jak i Y</td></tr><tr><td>Płyta grzejna</td><td>Thermolyne Mirak Płyta grzejna</td><td>Barnstead International HP72935-60</td><td>zakres temperatur 40-370 &deg; C</td></tr><tr><td>Holoscope Software</td><td>d'Optron Pte Ltd</td><td></td><td>oprogramowanie opracowane przez naukowców z NTU&nbsp;</td></tr></tbody></table>

kompaktowy cyfrowy mikroskop holograficzny bez soczewek do kontroli i charakteryzacji mems

Compact Lens-less Digital Holographic Microscope for MEMS Inspection and Characterization

Mikro-elektromechaniczny system (MEMS) jest szeroko stosowanym komponentem w wielu gałęziach przemysłu, w tym w energetyce, biotechnologii, medycynie, komunikacji i motoryzacji. Potrzebne są jednak skuteczne systemy metrologiczne do kontroli i charakteryzacji, aby zapewnić niezawodność działania MEMS. W pracy przedstawiono system oparty na holografii cyfrowej jako narzędzie dla metrologii MEMS. Holografia cyfrowa cieszy się coraz większym zainteresowaniem w ciągu ostatnich 20 lat. Wraz z szybkim rozwojem i malejącymi kosztami matryc czujników, rozdzielczość takich systemów wzrosła, poszerzając potencjalne zastosowania. W związku z tym przyciągnął uwagę zarówno ze strony badawczej, jak i przemysłowej jako potencjalne niezawodne narzędzie dla metrologii przemysłowej. Rzeczywiście, rejestrując wzór interferencji między wiązką obiektu (która zawiera informacje o wysokości próbki) a wiązką odniesienia na kamerze CCD, można uzyskać ilościowe informacje o fazie obiektu. Jednak większość cyfrowych systemów holograficznych jest nieporęczna, a tym samym niełatwa do wdrożenia na przemysłowych liniach produkcyjnych. Nowatorstwem prezentowanego systemu jest to, że jest on bezsoczewkowy, a co za tym idzie bardzo kompaktowy. W tym badaniu wykazano, że kompaktowy cyfrowy mikroskop holograficzny (CDHM) może być używany do oceny kilku cech zwykle branych pod uwagę jako kryteria w inspekcjach MEMS. Przedstawiono profile powierzchniowe MEMS zarówno w warunkach statycznych, jak i dynamicznych. Porównanie z AFM jest badane w celu potwierdzenia dokładności CDHM.

Opisany powyżej protokół został opracowany w celu inspekcji i charakterystyki urządzeń MEMS i mikro urządzeń przy użyciu systemu CDHM. W naszym systemie światłowód jednomodowy jest sprzężony z laserem diodowym pracującym na długości fali 63 nm. Ze względu na rozbieżną konfigurację wiązki, istotne jest dopasowanie ścieżek wiązki obiektu i wiązki odniesienia, aby uzyskać hologram, który można zrekonstruować. Osiąga się to poprzez dokładne pionowe pozycjonowanie próbki względem systemu. W ob...

Prezentujemy kompaktowy cyfrowy system holograficzny (CDHM) do inspekcji i charakteryzacji urządzeń MEMS. Zademonstrowano konstrukcję bez soczewek wykorzystującą rozbieżną falę wejściową zapewniającą naturalne powiększenie geometryczne. Prezentowane są zarówno badania statyczne, jak i dynamiczne.

Kompaktowy cyfrowy mikroskop holograficzny bez soczewek do kontroli i charakteryzacji MEMS

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest testowanie mikrostruktur elektromechanicznych przeznaczonych do zastosowań statycznych i dynamicznych przy użyciu pomiarów optycznych całego pola z wykorzystaniem technik obliczeniowych i eksperymentalnych. Metoda ta może pomóc w udzieleniu odpowiedzi na kluczowe pytania w przemyśle półprzewnikowym, a w szczególności w zakresie inspekcji mikroelektromechanicznych systemów (MEMS), takich jak charakteryzacja właściwości mechanicznych struktur MEMS na różnych etapach produkcji. Główną zaletą tej techniki jest to, że jest ona bezkontaktowa, wysokorozdzielcza, odbywa się w czasie rzeczywistym, obejmuje całe pole pomiarowe i dostarcza w pełni ilościowej mapy 3D obiektu odbijającego.System został skonstruowany bez użycia soczewek i dzięki temu jest wyjątkowo kompaktowy. W związku z tym metoda ta może dostarczyć cennych informacji w zakresie charakterystyki systemów MEMS. Może być ona również wykorzystywana do inspekcji wafli krzemowych lub testów referencyjnych optyki.Przy zastosowaniu przezroczystej geometrii układu możliwe jest również badanie mikrooptyki, optyki dyfrakcyjnej, a nawet wykorzystanie go w obrazowaniu biologicznym. Niniejsza procedur

compact-lens-less-digital-holographic-microscope-for-mems-inspection

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Przedstawiono bezsoczewkową obrazowanie i charakterystykę komórek na chipie. To podejście do obrazowania komórek na chipie zapewnia kompaktowe i kosztowo efektywne narzędzie do diagnostyki medycznej oraz wysokoprzepustowych zastosowań w biologii komórki, co czyni je szczególnie odpowiednim dla obszarów o ograniczonych zasobach.

Obrazowanie komórek na chipie bez użycia soczewek stanowi nowe narzędzie dla wysokoprzepustowej biologii komórki i diagnostyki medycznej

Zaprezentowano bezsoczewkową platformę do fluorescencyjnej mikroskopii na chipie, która umożliwia obrazowanie obiektów fluorescencyjnych w bardzo szerokim polu widzenia, np. &gt;0,6-8 cm2, z rozdzielczością &lt;4μm, przy użyciu algorytmu dekodującego opartego na próbkowaniu kompresyjnym. Taka kompaktowa modalność obrazowania fluorescencyjnego na chipie z szerokim polem widzenia może być cenna w cytometrii wysokoprzepustowej, badaniach rzadkich komórek oraz analizach mikromacierzy.

Bezosobnikowa mikroskopia fluorescencyjna na chipie

Bezsoczewkowa tomografia optyczna to trójwymiarowa technika mikroskopowa oferująca rozdzielczość przestrzenną &lt;1 μm × &lt;1 μm × &lt;3 μm odpowiednio w wymiarach x, y i z, przy dużej objętości obrazowania wynoszącej 15-100 mm3, co może być szczególnie użyteczne w integracji z platformami typu lab-on-a-chip.

Bezosobnikowa tomograficzna mikroskopia na chipie z wykorzystaniem wielokątnego oświetlenia i superrozdzielczości pikselowej

Trójwymiarowe lokalizacje słabo rozpraszających obiektów mogą być jednoznacznie zidentyfikowane za pomocą cyfrowej mikroskopii holograficznej (DIHM), która obejmuje niewielką modyfikację standardowego mikroskopu.  Nasze oprogramowanie wykorzystuje prostą heurystykę obrazowania sprzężoną z propagacją wsteczną Rayleigha-Sommerfelda, aby uzyskać trójwymiarowe położenie i geometrię mikroskopijnego obiektu fazowego.

Cyfrowa mikroskopia holograficzna (DIHM) obiektów o słabym rozproszeniu

Użycie hipersoczewki zostało uznane za nowatorską technikę obrazowania w superrozdzielczości ze względu na jej zalety w obrazowaniu w czasie rzeczywistym i jej prostą implementację za pomocą konwencjonalnej optyki. W tym miejscu przedstawiamy protokół opisujący wytwarzanie i obrazowanie zastosowań hipersoczewki sferycznej.

Demonstracja mikroskopu zintegrowanego z hipersoczewkami i obrazowania superrozdzielczego

Cyfrowa mikroskopia holograficzna (DHM) to technika wolumetryczna, która pozwala na obrazowanie próbek 50-100 razy grubszych niż mikroskopia jasnego pola w porównywalnej rozdzielczości, z ogniskowaniem wykonywanym po przetworzeniu. W tym przypadku DHM służy do identyfikacji, liczenia i śledzenia mikroorganizmów o bardzo niskiej gęstości i porównywania z pomiarami gęstości optycznej, liczeniem płytek i liczeniem bezpośrednim.

Oznaczanie ilościowe mikroorganizmów w niskich stężeniach za pomocą cyfrowej mikroskopii holograficznej (DHM)

Mikroskopia wideo bez soczewek umożliwia nam monitorowanie kultur komórkowych bezpośrednio w inkubatorze. Tutaj opisujemy pełny protokół używany do pozyskiwania i analizowania trwającego 2,7 dnia pozyskiwania hodowanych komórek HeLa, co prowadzi do zestawu danych 2,2 x 106 pomiarów morfologii poszczególnych komórek i 10584 ścieżek cyklu komórkowego.

Bezsoczewkowa mikroskopia wideo do dynamicznej i ilościowej analizy przylegających kultur komórkowych

Artykuł skupia się przede wszystkim na połączonej mocy metod optycznych (liniowych i nieliniowych) oraz holograficznych używanych do ujawniania zjawisk w nanoskali. Wyniki uzyskane z badań biofotonicznych i oscylacyjnych reakcji chemicznych są podane jako reprezentatywne przykłady, podkreślające zdolność holografii do ujawniania dynamiki w nanoskali.

Odkrywanie ukrytej dynamiki naturalnych struktur fotonicznych za pomocą obrazowania holograficznego

Opracowaliśmy dwufotonowy mikroskop holograficzny, który może wizualizować, oceniać i manipulować aktywnością neuronalną przy użyciu wysokiej rozdzielczości czasoprzestrzennej, w celu wyjaśnienia patogenezy zaburzeń neuropsychiatrycznych, które są związane z nieprawidłową aktywnością neuronalną.

Ocena i manipulacja aktywnością neuronalną za pomocą dwufotonowej mikroskopii holograficznej

Opisujemy przygotowanie koloidalnych kropek kwantowych o zminimalizowanym rozmiarze hydrodynamicznym do obrazowania fluorescencyjnego pojedynczych cząsteczek. W porównaniu z konwencjonalnymi kropkami kwantowymi, nanocząstki te mają rozmiar zbliżony do białek globularnych i są zoptymalizowane pod kątem jasności pojedynczych cząsteczek, stabilności przeciwko fotodegradacji oraz odporności na nieswoiste wiązanie z białkami i komórkami.

Kompaktowe kropki kwantowe do obrazowania pojedynczych cząsteczek

Poznaj metodę holograficzną bez soczewek do kontroli i charakteryzacji struktur MEMS w przemyśle półprzewodnikowym. System CDHM umożliwia pełnopolowe, bezkontaktowe pomiary 3D w czasie rzeczywistym.

Kompaktowy cyfrowy mikroskop holograficzny bez soczewek do kontroli i charakteryzacji MEMS

Przeglądaj więcej filmów