Compact Lens-less Digitale Holografische Microscoop voor MEMS Inspectie en karakterisering

Metrologie van micro- en nano-objecten is van groot belang voor zowel de industrie en onderzoekers. Inderdaad, miniaturisatie van objecten vormt een nieuwe uitdaging voor optische metrologie. Micro elektromechanische systemen (MEMS) zijn over het algemeen gedefinieerd heeft elektromechanische systemen geminiaturiseerde en bestaat meestal componenten zoals micro sensoren, micro-actuatoren, micro-elektronica en microstructuren. Het heeft vele toepassingen in diverse gebied, zoals de biotechnologie, geneeskunde, communicatie en sensing ¹ gevonden. Onlangs heeft de toenemende complexiteit en de progressieve miniaturisatie van testobject kenmerkt vereisen dat geschikte karakteriseringstechnieken voor MEMS. Hoge doorvoer productie van deze complexe microsystemen vereist de implementatie van geavanceerde inline meettechnieken, om karakteristieke parameters en aanverwante defecten veroorzaakt door de procescondities ² kwantificeren. Bijvoorbeeld, de afwijking van geometrische paramters in een MEMS inrichting beïnvloedt de systeemeigenschappen en moet worden gekarakteriseerd. Bovendien, de industrie vereist hoge resolutie meetprestaties, zoals volledige driedimensionale (3D) metrologie, grote zichtveld, hoge resolutie imaging, en real-time analyse. Aldus is het essentieel om een ​​betrouwbare kwaliteitscontrole en inspectie te waarborgen. Bovendien vereist het meetsysteem eenvoudig implementeerbaar op een productielijn en dus relatief compact op bestaande infrastructuren te worden geïnstalleerd te zijn.

Holografie, die voor het eerst werd geïntroduceerd door Gabor ^3, is een techniek die het herstel van de volledige kwantitatieve informatie van een object mogelijk maakt door het opnemen van de interferentie tussen een referentie- en een objectgolf een lichtgevoelig medium. Tijdens dit proces wordt de opname, de amplitude, fase en polarisatie van een veld zijn opgeslagen in het medium. Toen het veld golf object kan worden hersteld door het sturen van de referentie-bundel op het meDIUM, een proces dat bekend staat als optische lezing van het hologram. Omdat een conventionele detector alleen registreert de intensiteit van de golf, is holografie een onderwerp van groot belang geweest in de afgelopen vijftig jaar, omdat het de toegang tot extra informatie over het elektrische veld geeft. Echter, een aantal aspecten van de conventionele holografie maken het onpraktisch voor industriële toepassingen. Inderdaad, fotogevoelige materialen zijn duur en het opnameproces vereist in het algemeen een hoge stabiliteit. Vooruitgang in hoge resolutie camera sensoren zoals geladen gekoppelde inrichtingen (CCD) hebben een nieuwe aanpak voor digitale metrologie geopend. Een van deze technieken staat bekend als digitale holografie ^4. In digitale holografie (DH), wordt het hologram opgenomen met een camera (registratiemedium) en numerieke processen worden gebruikt om de fase en intensiteitsinformatie reconstrueren. Zoals bij conventionele holografie, kan het resultaat worden verkregen na twee procedures: de opname- en reconstructie zoals in Fifiguur 1. Indien de opname is gelijk aan conventionele holografie, de reconstructie slechts numerieke ^5. De numerieke reconstructie werkwijze wordt getoond in figuur 2. Twee procedures zijn betrokken bij de wederopbouw. Eerst wordt het golfveld object opgehaald uit het hologram. Het hologram wordt vermenigvuldigd met een numerieke referentie-wave naar het object golffront het hologram vliegtuig te krijgen. Ten tweede wordt het complex object golffront numeriek doorgegeven aan het beeldvlak. In ons systeem, wordt deze stap uitgevoerd met de convolutie methode ^6. De gereconstrueerde veld verkregen is een complexe functie en dus fase en intensiteit kan worden gewonnen verstrekken van kwantitatieve hoogte-informatie over het object van belang. Het vermogen van gehele veld informatieopslag in holografie werkwijze en het gebruik van computertechnologie voor snelle gegevensverwerking bieden meer flexibiliteit bij experimentele configuratie en significante toename van de speed van de experimentele proces, opent nieuwe mogelijkheden om DH ontwikkelen als een dynamische metrologische tool voor MEMS en micro-systemen ^7,8.

Het gebruik van digitale holografie in fase contrast beeldvorming is nu goed ingeburgerd en werd voor het eerst meer dan tien jaar geleden ⁹ gepresenteerd. Inderdaad, onderzoek microscopische inrichtingen combineert digitale holografie en microscopie uitgevoerd in vele studies ^{10, 11, 12, 13.} Verschillende systemen op basis van hoge coherentie ¹⁴ en lage coherentie ¹⁵ bronnen alsmede verschillende geometrie ^{13, 16, 17} (in lijn, off as gemeenschappelijke weg …) werden gepresenteerd. Bovendien, in overeenstemming digitale holografie is eerder gebruikt karakterisering van MEMS inrichting ^{18, 19.} Maar deze systemen zijn doorgaans moeilijk te implementeren en volumineus, waardoor ze ongeschikt voor industriële toepassingen. In deze studie, stellen we een compact, eenvoudig en lens free-systeem op basis van off AXIs digitale holografie in staat om real-time MEMS inspectie en karakterisering. De compacte digitale holografische microscoop (CDHM) is een lens minder digitale holografische systeem ontwikkeld en gepatenteerd om de 3D-morfologie van micro-size spiegelende objecten te verkrijgen. In ons systeem, een 10 mW, zeer stabiel, temperatuurgestuurde diodelaser werkt bij 638 nm wordt gekoppeld in een mono-mode fiber. Zoals getoond in figuur 3, wordt de divergerende bundel afkomstig van de vezel splitsen in een referentie- en een objectbundel door een bundeldeler. De referentie-bundel pad bestaat uit een gekantelde spiegel aan de geometrie buiten de as te realiseren. Het object bundel wordt verstrooid en gereflecteerd door het monster. De twee bundels interfereren op de CCD die het hologram. Het interferentiepatroon afgedrukt op het beeld wordt een ruimtelijk vervoerder genoemd en maakt het herstel van de kwantitatieve fase-informatie met slechts één beeld. De numerieke reconstructie wordt uitgevoerd met een gewone Fourier transformatie en convolutie algoritme stated eerder. De lens-minder configuratie heeft meerdere voordelen maken het aantrekkelijk. Aangezien er geen lenzen, worden de ingevoerde bundel is een divergerende golf die een natuurlijke geometrische vergroting en daarmee de resolutie systeem verbeteren. Bovendien is het vrij van aberraties aangetroffen in typische optische systemen. Zoals te zien is in figuur 3B, kan het systeem compact worden gemaakt (55x75x125 mm ^3), licht (400 g), en kan dus eenvoudig worden geïntegreerd in industriële productielijnen.