Компактный объектив менее цифровой голографический микроскоп для MEMS осмотра и определения характеристик
Summary
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.
Abstract
A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and automotive. However, effective inspection and characterization metrology systems are needed to ensure the functional reliability of MEMS. This study presents a system based on digital holography as a tool for MEMS metrology. Digital holography has gained increasing attention in the past 20 years. With the fast development and decreasing cost of sensor arrays, resolution of such systems has increased broadening potential applications. Thus, it has attracted attention from both research and industry sides as a potential reliable tool for industrial metrology. Indeed, by recording the interference pattern between an object beam (which contains sample height information) and a reference beam on a CCD camera, one can retrieve the quantitative phase information of an object. However, most of digital holographic systems are bulky and thus not easy to implement on industry production lines. The novelty of the system presented is that it is lens-less and thus very compact. In this study, it is shown that the Compact Digital Holographic Microscope (CDHM) can be used to evaluate several characteristics typically consider as criteria in MEMS inspections. The surface profiles of MEMS in both static and dynamic conditions are presented. Comparison with AFM is investigated to validate the accuracy of the CDHM.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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 м?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors have no acknowledgements.
Materials
| 2 MP Camera | Imaging Source | DMX 41BU02 | used to record the hologram. 4.65 microns pixel size |
| Motorized X,Y,Z Translation Stage | Zaber Technology | TLS28-M | Holder for the system |
| Beam splitter | Edmund optics | 49-003 | Cube Beam splitter. Separate and recombine the object and reference beam |
| Laser | Micro Laser Systems, Inc. | SRT-F635S-20/OSYS | Diode laser |
| Mirror | Edmund Optics | #43-412-566 | 1" Dia. Protected Gold, λ/20 Flat Zerodur |
| monomode Fiber | Thorlabs | S405-XP | Single Mode Optical Fiber, 400 – 680 nm, Ø125 µm Cladding |
| Sample holder | Edmund Optics | #39-930 | Ideal Positioning Platform,±35mm Travel in Both X and Y |
| Hotplate | Thermolyne Mirak hotplate | Barnstead International HP72935-60 | temperature range 40-370 °C |
| Holoscope Software | d'Optron Pte Ltd | NA | software developed by the NTU researchers |
References
- Maluf, N. An introduction to Microelectromechanical Systems. Artech House. Boston (2002).
- Novak, E. MEMS metrology techniques. Proc. SPIE. 5716, 173 – 181 , doi:10.1117/12.596989 (2005).
- Gabor, D. A New Microscopic Principle. Nature. 161 (4098), 777 – 778 (1948).
- Schnars, U.,Jüptner, W. Direct recording of holograms by a CCD target and numerical reconstruction. Appl. Opt. 33 (2), 179 – 181 (1994).
- Schnars, U.,Jüptner, W. Digital recording and numerical reconstruction of holograms. Meas. Sci. Technol. 13 (9), R85 – R101 (2002).
- Pedrini, G., Schedin, S., Tiziani, H. Lensless digital holographic interferometry for the measurement of large objects. Opt. Commun. 171 (1-3), 29 – 36 (1999).
- 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).
- 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).
- Cuche, E., Bevilacqua, F., Depeursinge, C. Digital holography for quantitative phase-contrast imaging. Opt. Lett. 24 (5), 291-293 (1999).
- Qu,W.,Yu,Y.,Chee Oi,C.,Raj Singh,V.,Asundi,A., Quasi-physical phase compensation in digital holographic microscopy. J. Opt. Soc. Am. A26 (9), 2005 – 2011 (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- Potcoava, M. C., Kim, M. K. Fingerprint biometry applications of digital holography and low-coherence interferography. Appl. Opt. 48 (34), H9-H15 (2009).
- Kolman,P., Chmelìk, R. Coherence-controlled holographic microscope. Opt. Express. 18 (21), 21990-22003 (2010).
- Lee, M., Yaglidere, O., Ozcan, A. Field-portable reflection and transmission microscopy based on lensless holography. Biomed. Opt. Express. 2 (9), 2721-2730 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- Schmidt, J.D. Numerical Simulation of Optical Wave Propagation with Examples in MATLAB.SPIE PRESS BOOK. (2010).
- 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).
- 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).
