Lens-meno compatta digitale olografico microscopio per MEMS di ispezione e caratterizzazione

Metrologia di micro e nano oggetti è di grande importanza per l'industria e ricercatori. In effetti, la miniaturizzazione degli oggetti rappresenta una nuova sfida per la metrologia ottica. Sistemi micro elettro meccanici (MEMS) sono generalmente definiti ha miniaturizzati sistemi elettromeccanici e di solito comprende componenti come micro sensori, micro attuatori, microelettronica e microstrutture. E ha trovato molte applicazioni in campo diverse quali la biotecnologia, la medicina, la comunicazione e rilevamento ^1. Recentemente, la crescente complessità, nonché la progressiva miniaturizzazione dei oggetto di prova funzioni di chiamata per lo sviluppo di adeguate tecniche di caratterizzazione per MEMS. Produzione ad alto rendimento di questi complessi microsistemi richiede l'attuazione di tecniche di misurazione in linea avanzate, per quantificare i parametri caratteristici e difetti relativi causati dalle condizioni di processo ^2. Per esempio, la deviazione geometrica parametri in un dispositivo MEMS influenza le proprietà di sistema e deve essere caratterizzata. Inoltre, l'industria richiede prestazioni di misura ad alta risoluzione, come la piena metrologia tridimensionale (3D), grande campo di visione, immagini ad alta risoluzione, e l'analisi in tempo reale. Pertanto, è essenziale per garantire un controllo di qualità e processo di ispezione affidabile. Inoltre, si richiede che il sistema di misura per essere facilmente implementabile su una linea di produzione e quindi relativamente compatto per essere installato su infrastrutture esistenti.

Olografia, che è stato introdotto da Gabor ^3, è una tecnica che permette il recupero delle informazioni quantitative pieno di un oggetto registrando l'interferenza tra un riferimento e un'onda oggetto in un mezzo fotosensibile. Durante questo processo noto come registrazione, l'ampiezza, fase e polarizzazione di un campo sono memorizzati nel mezzo. Quindi il campo d'onda oggetto può essere recuperato inviando il fascio di riferimento sul medium, un processo noto come lettura ottica dell'ologramma. Poiché un rivelatore convenzionale registra solo l'intensità dell'onda, l'olografia è stato oggetto di grande interesse negli ultimi cinquant'anni poiché dà accesso a informazioni aggiuntive sul campo elettrico. Tuttavia, alcuni aspetti della olografia convenzionale rendono poco pratica per applicazioni industriali. Infatti, materiali fotosensibili sono costosi e il processo di registrazione richiede generalmente un elevato grado di stabilità. I progressi nella sensori delle fotocamere ad alta risoluzione, come i dispositivi di carico (CCD) hanno aperto un nuovo approccio per la metrologia digitale. Una di queste tecniche è conosciuto come olografia digitale ^4. In Digital olografia (DH), l'ologramma viene registrato su una fotocamera (supporto di registrazione) e processi numerici vengono utilizzati per ricostruire l'informazione di fase e intensità. Come con l'olografia convenzionale, il risultato può essere ottenuto dopo due procedure principali: la registrazione e ricostruzione come mostrato in Fifigura 1. Tuttavia, se la registrazione è simile a olografia convenzionale, la ricostruzione è solo numerico ^5. Il processo di ricostruzione numerico è mostrato nella Figura 2. Due procedure sono coinvolti nel processo di ricostruzione. In primo luogo, il campo d'onda oggetto viene recuperato dal ologramma. L'ologramma viene moltiplicato per un onda di riferimento numerico per ottenere il fronte d'onda oggetto sul piano ologramma. In secondo luogo, il complesso oggetto fronte d'onda è numericamente propagato al piano dell'immagine. Nel nostro sistema, questo passaggio viene eseguita utilizzando il metodo convoluzione ^6. Il campo ricostruito ottenuta è una funzione complessa e quindi fase e intensità possono essere estratti fornire informazioni quantitative altezza sull'oggetto di interesse. La capacità di memorizzazione dell'intero informazioni fi campo nel metodo olografia e l'uso della tecnologia computer per l'elaborazione dei dati veloce offrono maggiore flessibilità nella configurazione sperimentale e aumentano significativamente la speed del processo sperimentale, aprendo nuove possibilità per sviluppare DH come strumento metrologico dinamico per MEMS e microsistemi ^7,8.

L'utilizzo dell'olografia digitale nella diagnostica per immagini a contrasto di fase è ormai ben consolidata e stata presentata più di dieci anni fa ^9. Infatti, ricerca di dispositivi microscopici combinando olografia digitale e la microscopia è stata eseguita in molti studi ^{10, 11, 12, 13.} Diversi sistemi basati su alta coerenza ¹⁴ e basse fonti coerenza ¹⁵ così come diversi tipi di geometria ^{13, 16, 17} (in linea, fuori asse, percorso comune …) sono stati presentati. Inoltre, in linea olografia digitale è stato utilizzato in precedenza nella caratterizzazione di dispositivi MEMS ^{18, 19.} Tuttavia, questi sistemi sono generalmente difficili da implementare e ingombranti, che li rende inadatti per applicazioni industriali. In questo studio, vi proponiamo un sistema compatto, semplice e obiettivo libero basato su axi offs olografia digitale in grado di ispezione MEMS in tempo reale e la caratterizzazione. Il microscopio digitale compatta olografico (CDHM) è un obiettivo meno sistema olografico digitale sviluppato e brevettato per ottenere la morfologia 3D di micro-dimensioni oggetti speculari. Nel nostro sistema, a 10 mW, altamente stabile, temperatura controllata diodo laser operante a 638 nm è accoppiata in una fibra monomodale. Come mostrato in figura 3, il fascio divergente che emana dalla fibra viene divisa in un riferimento ed un fascio oggetto da un divisore di fascio. Il percorso del fascio di riferimento comprende uno specchio inclinato per realizzare la geometria fuori asse. Il fascio oggetto viene dispersa e riflessa dal campione. I due fasci interferiscono sul CCD dando l'ologramma. Il modello di interferenza impresso sull'immagine è chiamato un vettore spaziale e permette il recupero delle informazioni fase quantitativa con una sola immagine. La ricostruzione numerica viene eseguita utilizzando un comune di Fourier trasformare e algoritmo di convoluzione come STATed in precedenza. La configurazione lente inferiore ha diversi vantaggi che lo rendono attraente. Poiché non si utilizzano lenti, il fascio in ingresso è un'onda divergente fornendo un ingrandimento geometrico naturale e migliorando la risoluzione del sistema. Inoltre, è privo di aberrazioni riscontrati nei sistemi ottici tipici. Come si vede nella Figura 3B, il sistema può essere reso compatto (55x75x125 mm ^3), leggero (400 g), e quindi può essere facilmente integrato in linee di produzione industriale.