Kompakt Lens-mindre Digital Holografisk Microscope for MEMS Inspektion og karakterisering

Metrologi af mikro- og nano objekter er af stor betydning for både industrien og forskere. Faktisk miniaturisering af objekter repræsenterer en ny udfordring for optisk metrologi. MEMS (MEMS) er generelt definerede har miniaturiserede elektromekaniske systemer og normalt omfatter komponenter såsom mikro-sensorer, mikro aktuatorer, mikroelektronik og mikrostrukturer. Det har fundet mange anvendelser på forskellige felt som bioteknologi, medicin, kommunikation og sensing ^1. For nylig, den stigende kompleksitet samt den gradvise miniaturisering af test objekt funktioner opfordring til udvikling af passende karakteriseringsteknikker til MEMS. Høj overførselshastighed fremstilling af disse komplekse mikrosystemer kræver gennemførelse af avancerede inline måleteknik, at kvantificere karakteristiske parametre og relaterede defekter forårsaget af procesbetingelserne ^2. Eksempelvis afvigelsen af ​​geometriske parammetre i en MEMS enhed påvirker systemets egenskaber og skal karakteriseres. Desuden industrien kræver høj opløsning måling ydeevne, såsom fuld tre dimensioner (3D) metrologi, stort felt af udsigt, høj billedbehandling opløsning og real time analyse. Således er det vigtigt at sikre en pålidelig kvalitetskontrol og inspektion proces. Det forudsætter desuden, målesystemet være let gennemførlig på en produktionslinje og dermed relativt kompakt at blive installeret på eksisterende infrastruktur.

Holography, som først blev introduceret af Gabor ^3, er en teknik, der gør det muligt at inddrive det fulde kvantitative oplysninger af et objekt ved at registrere interferens mellem en reference og et objekt bølge i en lysfølsom medium. Under denne proces kendt som optagelse, er amplituden, fasen og polarisering af et felt lagret i mediet. Derefter objektet bølge felt kan udvindes ved at sende referencestrålen på migdium, en proces kendt som optisk læsning af hologrammet. Da en konventionel detektor kun registrerer intensiteten af ​​bølgen, har holografi været genstand for stor interesse i de sidste halvtreds år, da det giver adgang til yderligere oplysninger om det elektriske felt. Men flere aspekter af konventionel holografi gør det upraktisk for industrielle applikationer. Faktisk lysfølsomme materialer er dyre og optageprocessen kræver generelt en høj grad af stabilitet. Fremskridt i høj opløsning kamera sensorer såsom ladede koblede enheder (CCD) har åbnet en ny tilgang til digital metrologi. En af disse teknikker er kendt som digital holografi ^4. I Digital Holography (DH), er hologrammet optaget på et kamera (optagemedie) og numeriske processer bruges til at rekonstruere fase og intensitet oplysninger. Som med konventionel holografi, kan resultatet opnås efter to procedurer: den optagelse og genopbygning, som vist i Figur 1. Men hvis optagelsen ligner konventionel holografi, genopbygningen er kun numerisk ^5. Den numeriske genopbygningsprocessen er vist i figur 2. To procedurer er involveret i genopbygningen. For det første er det objekt bølge felt hentet fra hologrammet. Hologrammet multipliceres med en numerisk henvisning bølge at få objektet bølgefront ved hologrammet flyet. For det andet er det komplekse objekt bølgefronten numerisk opformeret til billedplanet. I vores system er dette trin udføres ved hjælp af foldning metode ^6. Den rekonstruerede felt opnåede er en kompleks funktion og dermed fase og intensitet kan udvindes tilvejebringe kvantitative højdeoplysninger på objektet af interesse. Evnen til hele felt information opbevaring i holografi metode og brugen af ​​computer-teknologi til hurtig databehandling giver mere fleksibilitet i eksperimentel konfiguration og en betydelig forøgelse af Speed af den eksperimentelle proces, åbner op for nye muligheder for at udvikle DH som et dynamisk metrologisk værktøj for MEMS og mikrosystemer ^7,8.

Anvendelse af digital holografi i fase kontrast imaging er nu veletableret og blev første gang præsenteret mere end ti år siden ^9. Faktisk undersøgelse af mikroskopiske enheder ved at kombinere digital holografi og mikroskopi er udført i mange undersøgelser ^{10, 11, 12, 13.} Adskillige systemer baseret på høj kohærens ¹⁴ og lave sammenhæng ¹⁵ kilder samt forskellige typer af geometri ^{13, 16, 17} (på linje, off akse, fælles vej …) er blevet præsenteret. Endvidere i overensstemmelse digital holografi tidligere har været anvendt i karakterisering af MEMS-indretningen ^{18, 19.} Men disse systemer er generelt vanskelige at gennemføre og pladskrævende, hvilket gør dem uegnede til industriel anvendelse. I denne undersøgelse foreslår vi en kompakt, enkel og linsen frit system baseret på off axis digital holografi stand til tidstro MEMS inspektion og karakterisering. Compact Digital holografiske mikroskop (CDHM) er en linse mindre digitalt holografisk system udviklet og patenteret for at opnå 3D-morfologi af mikro-størrelse spejlende objekter. I vores system, en 10 mW, meget stabile, temperaturkontrolleret diode laser, som fungerer ved 638 nm kobles til en mono-mode fiber. Som vist i figur 3, er den divergerende stråle, der udgår fra fiberen opdelt i en reference og et objekt stråle ved en stråledeler. Henvisningen strålegang omfatter en vippet spejl til at realisere off akse geometri. Objektstrålen er spredt og reflekteret af prøven. De to stråler interfererer på CCD giver hologrammet. Den interferens mønster trykt på billedet kaldes en rumlig luftfartsselskab og tillader inddrivelse af den kvantitative fase oplysninger med kun ét billede. Den numeriske rekonstruktion udføres ved hjælp af en fælles Fouriertransformation og foldning algoritme som stated tidligere. Objektivet-mindre konfiguration har flere fordele gør det attraktivt. Da der ikke anvendes linser, input stråle er en divergerende bølge giver en naturlig geometrisk forstørrelse og dermed forbedre systemets opløsning. Desuden er det gratis aberrationer stødt i typiske optiske systemer. Som det kan ses i figur 3B, kan systemet gøres kompakt (55x75x125 mm ^3), let (400 g), og kan således let integreres i industrielle produktionslinjer.