المدمجة عدسة أقل الرقمي المجسم مجهر لفحص ممس وتوصيف
Summary
نقدم انعكاس المدمجة نظام المجسم الرقمي (CDHM) للتفتيش وتوصيف الأجهزة MEMS. وأظهر تصميم عدسة أقل باستخدام موجة مدخلات متباينة توفير التكبير الهندسي الطبيعي. كلاهما قدم دراسات والدينامية.
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
المقاييس الصغرى والمتناهية الصغر الأشياء هو من أهمية كبيرة لكلا الصناعة والباحثين. في الواقع، والتصغير من الأشياء يمثل تحديا جديدا لعلم القياس البصرية. نظم الصغرى والكهربائية الميكانيكية (MEMS) وتعرف عموما والمنمنمة الأنظمة الإلكتروميكانيكية ويتكون عادة مكونات مثل أجهزة الاستشعار الصغيرة، والمحركات الصغيرة، والالكترونيات الدقيقة والمجهرية. وقد وجدت العديد من التطبيقات في مجال متنوعة مثل التكنولوجيا الحيوية، والطب والاتصالات والاستشعار 1. في الآونة الأخيرة، والتعقيد المتزايد فضلا عن التصغير التدريجي للكائن اختبار ملامح الدعوة إلى تطوير تقنيات توصيف مناسبة لممس. صناعة إنتاجية عالية من هذه مايكروسيستمز المعقدة يتطلب تنفيذ تقنيات قياس مضمنة المتقدمة، لتحديد معالم مميزة والعيوب المتعلقة الناجمة عن الظروف العملية 2. على سبيل المثال، انحراف المعلمة الهندسيeters في جهاز ممس يؤثر على خصائص النظام ويجب أن تتسم. وبالإضافة إلى ذلك، صناعة تتطلب عالية الأداء قياس القرار، مثل كامل ثلاثة أبعاد (3D) المقاييس، ELD فاي واسعة من الرأي، القرار التصوير عالية، وتحليلها في الوقت الحقيقي. وبالتالي، فمن الضروري لضمان مراقبة الجودة وعملية التفتيش موثوق بها. وعلاوة على ذلك، فإنه يتطلب نظام القياس لتكون قابلة للتنفيذ بسهولة على خط الإنتاج، وبالتالي التعاقد نسبيا ليتم تثبيتها على البنى التحتية القائمة.
تصوير ثلاثي الأبعاد، الذي قدم للمرة الأولى من قبل غابور 3، هو الاسلوب الذي يسمح للانتعاش من المعلومات الكمية الكاملة للجسم عن طريق تسجيل التداخل بين إشارة وموجة الكائن في وسيلة للضوء. وخلال هذه العملية المعروفة باسم التسجيل، يتم تخزين سعة، مرحلة والاستقطاب من حقل في المتوسط. ثم يمكن استردادها مجال موجة الجسم عن طريق إرسال شعاع إشارة على ليdium، وهي عملية تعرف باسم القراءة البصرية للصورة ثلاثية الأبعاد. منذ كاشف التقليدية يسجل فقط شدة الموجة، وكان السند الخطي موضع اهتمام كبير في السنوات الخمسين الماضية لأنه يتيح الوصول إلى معلومات إضافية عن الحقل الكهربائي. ومع ذلك، هناك عدة جوانب من السند الخطي التقليدي جعلها غير عملي لصناعة التطبيقات. في الواقع، والمواد حساس غالية الثمن وعملية التسجيل عموما يتطلب درجة عالية من الاستقرار. وقد فتحت التقدم في أجهزة الاستشعار كاميرا ذات دقة عالية مثل أجهزة جانب مشحونة (CCD) نهجا جديدا لعلم القياس الرقمي. واحدة من تلك التقنيات يعرف السند الخطي الرقمي (4). في الذواكر ثلاثية الأبعاد الرقمية (DH)، يتم تسجيل ثلاثية الأبعاد على الكاميرا (وسط تسجيل) وتستخدم العمليات العددية لإعادة بناء المعلومات المرحلة وشدة. كما هو الحال مع السند الخطي التقليدي، ويمكن الحصول على النتيجة بعد إجراءين رئيسيين: تسجيل وإعادة البناء كما هو مبين في فايجوري 1. ومع ذلك، إذا كان تسجيل يشبه السند الخطي التقليدي، وإعادة الإعمار العددي فقط 5. وأظهرت عملية إعادة الإعمار العددية في الشكل (2). ويشارك اثنان من الإجراءات في عملية إعادة الإعمار. أولا، يتم استرداد الميدان موجة كائن من صورة ثلاثية الأبعاد. يتم ضرب صورة ثلاثية الأبعاد مع موجة إشارة رقمية للحصول على واجهة الموجة الكائن في الطائرة صورة ثلاثية الأبعاد. ثانيا، يتم نشر اجهة الموجة الكائن معقدة من الناحية العددية إلى الطائرة الصورة. في نظامنا، يتم تنفيذ هذه الخطوة باستخدام طريقة التفاف 6. مجال بناؤها عليها وظيفة معقدة، وبالتالي مرحلة وكثافة ويمكن استخراج توفير المعلومات ارتفاع الكمية على وجوه الفائدة. قدرة كله الميداني تخزين المعلومات في طريقة التصوير الثلاثي الأبعاد واستخدام تكنولوجيا الحاسب الآلي لمعالجة البيانات بسرعة تقديم المزيد من المرونة في تكوين التجربة وزيادة كبيرة في سبيد العملية التجريبية، وفتح آفاقا جديدة لتطوير DH كأداة المترولوجية ديناميكية لممس والنظم الدقيقة 7،8.
استخدام السند الخطي الرقمي في مرحلة التصوير النقيض الآن راسخة وقدم لأول مرة أكثر من عشر سنوات منذ 9. في الواقع، وقد تم إجراء تحقيق من الأجهزة المجهرية عن طريق الجمع بين التصوير الثلاثي الأبعاد الرقمية والفحص المجهري في العديد من الدراسات 10، 11، 12، 13. العديد من الأنظمة القائمة على تماسك عال 14 وانخفاض التماسك من 15 مصدرا وكذلك أنواع مختلفة من الهندسة 13، 16، 17 (في خط، خارج المحور، مسار مشترك …) قد قدمت. وبالإضافة إلى ذلك، في خط استخدمت السند الخطي الرقمي سابقا في توصيف جهاز ممس 18 و 19. ومع ذلك، فإن هذه النظم هي صعبة عموما لتنفيذ وضخمة، مما يجعلها غير صالحة للتطبيقات الصناعية. في هذه الدراسة، فإننا نقترح نظام مدمج وبسيط وعدسة مجانية على أساس AXI خارجق السند الخطي الرقمي قادر للتفتيش في الوقت الحقيقي ممس والتوصيف. المجهر الاتفاق التصوير المجسم الرقمي (CDHM) هو عدسة أقل نظام الثلاثية الأبعاد الرقمية المتقدمة وبراءات الاختراع للحصول على التشكل 3D الأجسام براق حجم الصغير. في نظامنا، 10 ميغاواط، مستقرة للغاية، ويقترن التحكم في درجة الحرارة ليزر ديود تعمل على 638 نانومتر إلى الألياف أحادية الوضع. كما هو مبين في الشكل (3)، يتم تقسيم شعاع متباينة المنبثقة من الألياف في إشارة وشعاع الكائن من قبل الخائن شعاع. ويتألف مسار الشعاع إشارة مرآة مائلة لتحقيق الهندسة محور قبالة. وينتشر شعاع الكائن وتنعكس من العينة. شعاعين تتداخل على CCD يعطي صورة ثلاثية الأبعاد. ويطلق على نمط التدخل مطبوع على الصورة حاملة المكاني ويسمح استرداد المعلومات مرحلة الكمية مع صورة واحدة فقط. يتم تنفيذ إعادة الإعمار العددي باستخدام فورييه المشترك تحويل وخوارزمية الالتواء كما ستاتيد سابقا. تكوين عدسة أقل ديها العديد من المزايا مما يجعلها جذابة. كما تستخدم أي العدسات، وشعاع الإدخال موجة متباينة توفير التكبير الهندسي الطبيعي، وبالتالي تحسين دقة النظام. وعلاوة على ذلك، فهو حر من الانحرافات التي واجهتها في النظم البصرية نموذجية. كما يمكن أن يرى في الشكل 3B، يمكن جعل نظام مدمج (55x75x125 مم 3)، وخفيفة الوزن (400 غرام)، وبالتالي يمكن دمجها بسهولة في خطوط الإنتاج الصناعية.
Protocol
Representative Results
Discussion
في هذا الاستعراض، ونحن نقدم على بروتوكول لاسترداد بدقة التشكل الكمي للأجهزة MEMS مختلفة باستخدام نظام مدمج الاعتماد على السند الخطي الرقمي. ويتجلى توصيف ممس في وضع حد سواء والدينامية. يتم الحصول على بيانات 3D كمية من ممس قناة الصغرى. من أجل التحقق من صحة دقة النظام، وقد …
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).
