Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Компактный объектив менее цифровой голографический микроскоп для MEMS осмотра и определения характеристик

9.7K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/53630

⸱

5 июля 2016 г.

 ,  ,  ,  , 
1School of Mechanical and Aerospace Engineering, Center of Laser and Optical Engineering, Nanyang Technological University, 2d'Optron Pte Ltd

В этой статье

Краткое содержание

Мы представляем компактное отражение цифровой голографической системы (CDHM) для проверки и определения характеристик устройств МЭМС. Линза-менее дизайн с использованием расходящийся входной волны обеспечивая естественную геометрическую увеличение демонстрируется. Как статические, так и динамические исследования представлены.

Аннотация

Микроэлектромеханическая система (MEMS) является широко используемым компонентом во многих отраслях промышленности, включая энергетику, биотехнологию, медицину, связь и автомобилестроение. Тем не менее, для обеспечения функциональной надежности MEMS необходимы эффективные метрологические системы контроля и определения характеристик. В данном исследовании представлена система, основанная на цифровой голографии в качестве инструмента метрологии МЭМС. В последние 20 лет цифровая голография привлекает все большее внимание. В связи с быстрым развитием и снижением стоимости сенсорных матриц, разрешающая способность таких систем увеличилась и расширила потенциальные возможности применения. Таким образом, он привлек внимание как со стороны исследователей, так и со стороны промышленности как потенциальный надежный инструмент для промышленной метрологии. Действительно, записывая интерференционную картину между лучом объекта (который содержит информацию о высоте образца) и опорным лучом на ПЗС-камере, можно получить количественную информацию о фазе объекта. Тем не менее, большинство цифровых голографических систем громоздки, и поэтому их нелегко внедрить на промышленных производственных линиях. Новизна представленной системы заключается в том, что она не имеет линз и при этом очень компактна. В данном исследовании показано, что компактный цифровой голографический микроскоп (CDHM) может быть использован для оценки нескольких характеристик, которые обычно рассматриваются в качестве критериев при инспекциях MEMS. Представлены профили поверхности МЭМС как в статических, так и в динамических условиях. Сравнение с АСМ исследуется для проверки точности CDHM.

Введение

Метрологии микро- и нано-объектов имеет большое значение для промышленности, так и исследователей. Действительно, миниатюризация объектов представляет собой новый вызов для оптической метрологии. Микроэлектромеханические системы (MEMS), как правило, определяются миниатюризировала электромеханические системы и, как правило, включает в себя такие компоненты, как микро-сенсоров, микро- приводами, микроэлектронике и микроструктур. Он нашел широкое применение в разнообразных таких областях, как биотехнологии, медицине, связи и зондирования 1. В последнее время на фоне возрастающей сложности, а также прогрессивная миниатюризация тестового объекта предлагается вызов для разработки подходящих методов определения характеристик для МЭМС. Высокая пропускная способность производства этих сложных микропроцессорных систем требует внедрения передовых методов измерения рядный, для количественного определения характерных параметров и связанных с ними дефектов , вызванных условиями процесса 2. Например, отклонение геометрической парамраметры в МЭМС влияет на свойства системы и должна быть охарактеризована. Кроме того, промышленность требует высокой производительности измерения разрешения, такие как полный трехмерный (3D), метрологии большого поля зрения, высокое разрешение изображения и реального времени анализа. Таким образом, важно обеспечить надежный контроль качества и процесс проверки. Кроме того, он требует от измерительной системы, чтобы быть легко осуществимым на производственной линии, и, таким образом, относительно компактной для установки на существующих инфраструктур.

Голографическая, который впервые был представлен Габора 3, является метод , который позволяет извлекать полную количественную информацию объекта с помощью записи интерференции между ссылкой и объектной волны в светочувствительной среде. Во время этого процесса, известного как записи, амплитуда, фаза и поляризация поля сохраняются в среде. Тогда поле волновой объект может быть восстановлен путем направления опорного луча на меняDIUM, процесс, известный как оптического считывания голограммы. Поскольку обычный детектор регистрирует только интенсивность волны, голография была предметом большого интереса в течение последних пятидесяти лет, поскольку она дает доступ к дополнительной информации по электрическому полю. Тем не менее, некоторые аспекты традиционной голографии делают его непрактичным для промышленных применений. В самом деле, светочувствительные материалы являются дорогостоящими, и процесс записи, как правило, требует высокой степени стабильности. Достижения в области датчиков камеры высокого разрешения, такие как заряженные спаренных устройств (CCD) открыли новый подход к цифровой метрологии. Одним из таких методов известен как цифровой голографии 4. В цифровой голографии (DH), голограмма записывается на камеры (носитель записи) и численные процессы используются для восстановления информации о фазе и интенсивности. Как и в обычной голографии, то результат может быть получен после двух основных процедур: Запись и восстановления , как показано в Интернет1 цифра. Тем не менее, если запись аналогична обычной голографии, восстановление только численное 5. Процесс численного реконструкции показано на рисунке 2. Две процедуры участвуют в процессе реконструкции. Во-первых, поле волновой объект извлекается из голограммы. Голограмма умножается на числовой опорной волны, чтобы получить объект волнового фронта на плоскости голограммы. Во-вторых, сложный объект волновой фронт численно распространяется на плоскости изображения. В нашей системе, этот шаг выполняется с помощью метода свертки 6. Реконструированный поле, полученное является сложной функцией и, следовательно, фазы и интенсивности может быть извлечена обеспечивая количественную информацию о высоте объекта интереса. Способность всей хранения информации поля в методе голографического и использование компьютерных технологий для быстрой обработки данных обеспечивают большую гибкость в экспериментальной конфигурации и значительно увеличить Шпееd экспериментального процесса, открывает новые возможности для разработки DH как динамический метрологической инструмент для MEMS и микросистем 7,8.

Использование цифровой голографии в контрастной визуализации фазы в настоящее время хорошо известна и была впервые представлена ​​более чем десять лет назад 9. Действительно, исследование микроскопических устройств путем объединения цифровой голографии и микроскопии было проведено во многих работах 10, 11, 12, 13. Несколько систем , основанных на высокой когерентности 14 и низких источников когерентности 15, а также различные типы геометрии 13, 16, 17 (в соответствии, с отклонением от оси, общий путь ...) были представлены. Кроме того, в соответствии цифровой голографии использовалась ранее характеристики устройства на основе МЭМС 18, 19. Тем не менее, эти системы , как правило , трудно осуществить , и громоздки, что делает их непригодными для промышленного применения. В данном исследовании мы предлагаем компактный, простой и объектив бесплатная система, основанная на выключенном AxiS цифровой голографии способны для контроля в реальном масштабе времени на основе МЭМС и характеристики. Микроскоп Компактный цифровой голографической (CDHM) представляет собой линзу менее цифровой голографической система, разработанная и запатентованная для получения 3D морфологии микро-размера объектов зеркального отражения. В нашей системе, 10 мВт, высокой стабильностью, контролем температуры диода лазер, работающий при 638 нм соединен в моно-режиме волокна. Как показано на фиг.3, расходящийся пучок , исходящий из волокна разделяется на ссылки и объект пучка расщепитель луча. Путь опорный луч содержит наклонную зеркало, чтобы понять геометрию оси прочь. Объектный луч рассеивается и отражается образцом. Два луча создающими помехи на ПЗС дает голограмму. Интерференционная картина отпечатаны на изображение называется пространственной несущей и допускает восстановление информации количественного фазового только с одним изображением. Численный реконструкция выполняется с использованием преобразования Фурье и общий алгоритм свертки, как STATed ранее. Линза-менее конфигурация имеет ряд преимуществ делает его привлекательным. Как не используются линзы, входной луч расходящаяся волна обеспечивает естественный геометрический увеличение и, таким образом, улучшая Разрешающая способность системы. Кроме того, она свободна от аберраций, встречающихся в типичных оптических системах. Как можно видеть на фигуре 3В, система может быть выполнена компактной (55x75x125 мм 3), легкий (400 г), и , таким образом , могут быть легко интегрированы в промышленных производственных линиях.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Предварительная подготовка измерения

Примечание: Образец, используемый для эксперимента является МЭМС электрод. Золотые электроды изготовлены на кремниевой подложке с использованием отрываться процесса. Образец 18 мм х 18 мм пластины с периодическими структурами (электродами) с 1 мм период

  1. Войдите в судовой журнал перед использованием системы.
  2. Включите компьютер, лазерный и этап перевода мощности.
  3. Поместите MEMS электрод / микро-диафрагма образца.
    1. Поместите образец на основе МЭМС в середине держателя образца, используя пинцет.
    2. Установите держатель образца, чтобы расположить электроды на пути луча. Максимальное поле зрения измерения определяется размером датчика камеры. Это прямоугольник 2,3 мм х 1,8 мм.
  4. Использование вертикального направления моторизованные стадии, переместить систему аппроксимативно 1,5 см от образца.

2. Установка программного обеспечения Настройки

  1. Откройте 3Dviewпрограммного обеспечения. 3DView наша программа собственной разработки в C ++.
  2. Нажмите кнопку источника изображения, чтобы выбрать правильную камеру для эксперимента. Выберите камеру монохромный CCD. Избегайте цветной камеры в этой установке, поскольку используется монохроматический лазерный диод. Кроме того, для того же числа пикселей, разрешение будет ниже, при использовании цветных камер.
    1. На вкладке Параметры устройства выберите Y800 (1280 х 960) видео формат и 15 кадров в секунду видео.
  3. Нажмите желтую кнопку воспроизведения, чтобы запустить камеру. должен появиться изображение объекта с запечатленные картины полос (голограмме).
    1. Настройка оптимальных параметров усиления и экспозиции, чтобы избежать насыщения изображения, если это необходимо.
  4. Использование живого видео окна вид камеры, отрегулируйте положение образца, чтобы выбрать точную область для исследования на образце.
  5. Откройте вкладку Настройки.
    1. На вкладке Конфигурация выберите тип поверхности (отражающий или прозрачный), длины волны ЛаSer, и пиксел размер камеры. Лазер диодный лазер, работающий на длине волны 633 нм. Размер пикселя камеры составляет 4650 нм. Образец представляет собой зеркальный MEMS электрод устройства таким образом отражающий режим должен быть выбран.
      Примечание: Конфигурация CDHM позволяет только отражающие поверхности должны быть измерены. Тем не менее, программное обеспечение также может быть использован для измерения прозрачных образцов , когда другая система цифровой голографии используется 13. Изменение этого параметра изменяет формулу вычисления высоты от фазы. Действительно, расчет оптическая разность хода несколько отличается для прозрачных образцов, поскольку он включает индекс объекта преломления.
    2. Выберите алгоритм реконструкции свертка и установить расстояние восстановления до нуля. Выберите шаг реконструкции 1 или 2.
      Примечание: Параметр расстояния реконструкции может быть определена позже, рассматривая изображение интенсивности, полученное от голограммы и используя автофокус. Этап реконструкции определяет количествошаги, используемые для реализации интеграла Френеля и моделирования распространения луча. Первый метод вычисления интеграла один раз как одно преобразование Фурье. Шаг 2 будет вычислить интеграл дважды. Это добавляет больше гибкости в шаг сетки , но вычислительно менее эффективными 20.
    3. На вкладке постобработки, выберите разворачивания алгоритм, необходимый для получения окончательного развернутую изображения. Выбор качества отображается алгоритм.
      Примечание: В программном обеспечении, выбор между Goldstein и качества Подключенные алгоритм может быть сделано. Позже показал надежную и быструю пространственную фазу разворачивания. Алгоритм качества сопоставляются основан на управляемой фазе разворачивания , как описано в 21.

3. Сбор данных

  1. Нажмите на иконку, чтобы открыть окно спектра Фурье преобразование Фурье. Один 0 порядка и два +1, -1 должны появляться заказы. Если это не так, проверьте, что образец находится в правильном положении, а также настроить получить представлениеd время экспозиции снова.
  2. Остановить режим живого измерения. Выберите один из дифрагированных порядков (положительная или отрицательная частота) при помощи функции фильтра. Выбранная область должна быть достаточно большой, так что все частоты, необходимые для поиска фазы присутствуют. Включите режим живого снова.
    Примечание: Выбор отрицательного порядка просто влияет на знак фазы в конечном итоге, то есть, окончательный 3D изображение будет перевернутой.
  3. Откройте окно фазы. Убедитесь, что развернутый режим не включен. должен появиться Gray фазовое изображение объекта отпечатаны с обернутых полос.
  4. Использование моторизованной ступени вертикального для уменьшения числа полос в фазовом изображении. Когда только 1 или 2 полосы оставлены на изображение, остановить моторизованный этап.
    Примечание: Система основана на интерферометрии. Таким образом, он чувствителен к колебаниям. После перемещения направление г моторизованный этап, пользователь должен подождать 1 или 2 секунды до того, как завернуты изображение фазы появляется Агаип. Важно также, чтобы избежать вибрации во время измерения, чтобы получить стабильную фазу изображения.
  5. Нажмите кнопку автофокус 22 , чтобы найти лучшее расстояние реконструкции. Один, возможно, придется использовать автофокус несколько раз, чтобы приблизиться к оптимальной дистанции реконструкции, пока изображение не появится интенсивность четким и ясным. Автофокусировка основана на эффективном и времени , эффективного метода углового спектра , как описано в 22.
    Примечание: В строке фокуса слайдера может быть использован для точной настройки. Затем нажмите на центральную кнопку фокуса для записи текущего расстояния реконструкции. Оказывается, что иногда лучший фокус не найден с опцией автоматической фокусировки. В этом случае вручную ввести расстояние реконструкции, чтобы найти лучший фокус.
  6. Включить развернутую режим, чтобы увидеть развернутой фазы изображение, нажав на кнопку разворачивания.

4. Визуализация и анализ данных для статических измерений

  1. Откройте 3D окно изображения, чтобы увидеть окончательный 3Dизображение образца. Используйте доступные опции для наблюдения за конечный результат (поворот, цветная карта, масштаб отображения ...).
  2. Нажмите на кнопку, чтобы плитка окна расположите окна как не перекрываются и отображать все измерения окна.
  3. Используйте линейку линии, чтобы нарисовать линию на интересующей области на развернутой фазы изображения. В окне сюжетной линии, можно наблюдать в поперечном сечении профиль участок интересующей области. Используйте два маркера зеленая линия , чтобы извлечь приблизительную высоту объекта (рисунок 5).
    Шероховатость поверхности также могут быть получены на плоской верхней части образца.
  4. Сохранить на заключительном этапе изображение в формате .JPEG, чтобы импортировать его в другое программное обеспечение, если это необходимо.

5. Получение образца и анализа данных для динамических измерений

  1. Поместите микро диафрагму на теплоцентрали пластине. Образец не будет удален из пластины, пока эксперимент не заканчивается.
  2. Записать голограмму MICRO диафрагма при температуре окружающей среды, следуя процедуре, описанной выше в разделе 2 и 3. Он будет использоваться в качестве справочного материала для анализа деформации.
  3. Сохранение данных фазы на компьютере.
  4. Включите лабораторный нагревательной плиты.
  5. С помощью регулятора температуры, изменения температуры с шагом 50 ° C от 50 ° C до 300 ° C. Для каждого шага температуры, сохранить изображение карты фазы в формате .JPEG.
  6. Вычитание от начальной температуры окружающего воздуха фазовое карту от другой фазы карты, записанной для получения данных о деформации.
    Примечание: Этот шаг пост-обработки может быть реализован с простым кодом MATLAB. Различные фазы, полученные загружаются в MATLAB и простая матрица вычитание выполняется. Затем поперечного сечения участки различных стадий деформации может быть получена.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Протокол, описанный выше, был разработан для проверки и характеризуют MEMS и устройства Micro с использованием системы CDHM. В нашей системе, моно-режиме волокон соединен с диодным лазером, работающий при 633 нм с. Благодаря конфигурации расходящегося пучка, важно, чтобы соответствовать объектный пучок и путь опорного луча для того, чтобы получить голограмму, которая может быть восстановлена. Это достигается за счет тщательного вертикального позиционирования образца по отношению к систем...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

В этом обзоре мы приводим протокол для точного восстановления количественного морфологии различных устройств МЭМС с помощью компактной системы, использующей цифровой голографии. MEMS характеристика в обоих статическом и динамическом режиме демонстрируется. Количественные 3D-данные микро-MEMS канала получается. Для того, чтобы подтвердить точность системы, результаты сравнивали между CDHM и атомно-силовой микроскопии. Хорошее согласие обнаруживается это означает, что цифровой голографии может быть надежным методом для 3D...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

У авторов нет благодарностей.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
2-мегапиксельная камера ImagingSourceDMX 41BU02используемая для записи голограммы. 4.65  Размер пикселя
в микронах Моторизованная сцена перевода X,Y,ZZaber Technology TLS28-MДержатель для системы 
Светоделитель Edmundoptics49-003Cube Beam splitter. Разделение и рекомбинирование объекта и опорного луча
лазер Микро Лазер Системс, Инк.SRT-F635S-20/OSYSДиодное лазерное
зеркалоEdmund Optics#43-412-5661" Dia. Защищенное золото, λ/20 Плоское
одномодовое волокноFiber ThorlabsS405-XPОдномодовое оптическое волокно, 400 - 680 нм, ø 125 &микро; m Держатель образца облицовки
Edmund Optics#39-930Идеальная платформа позиционирования, ± 35  мм Ход как по X, так и по оси Y
Горячая плитаThermolyne Mirak Горячая плитаBarnstead International HP72935-60диапазон температур 40-370 градусов Цельсия; Программное
обеспечение C HoloscopeSoftware d'Optron Pte Ltdразработанное научными сотрудниками NTU 
, Zerodur ,

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

3D
Компактный объектив менее цифровой голографический микроскоп для MEMS осмотра и определения характеристик
Свяжитесь с нами
Рекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

Авторские права © 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.