Compact Lens-less Digital Holographic Microscope de Inspeção MEMS e Caracterização

Metrologia de micro e nano objetos é de grande importância para a indústria e pesquisadores. Na verdade, a miniaturização de objetos representa um novo desafio para metrologia óptica. sistemas micro eletro mecânicos (MEMS) são geralmente definidos tem miniaturizado sistemas eletromecânicos e normalmente compreende componentes, tais como micro-sensores, atuadores micro, microeletrônica e microestruturas. Ele encontrou muitas aplicações em diversos campos como a biotecnologia, medicina, comunicação e detecção ^1. Recentemente, a crescente complexidade, bem como a miniaturização progressiva do objeto de teste apresenta apelo ao desenvolvimento de técnicas de caracterização adequados para MEMS. Fabricação de alto rendimento desses microsistemas complexos requer a implementação de técnicas de medição em linha avançados, para quantificar parâmetros característicos e defeitos relacionados causados ​​pelas condições do processo ^2. Por exemplo, o desvio do parâmetro geométricatros em um dispositivo MEMS afeta as propriedades do sistema e tem de ser caracterizada. Além disso, a indústria exige desempenho de medição de alta resolução, tais como metrologia completa em três dimensões (3D), grande eld fi de vista, de alta resolução de imagem e análise em tempo real. Assim, é essencial para assegurar um controlo de qualidade e processo de controlo fiável. Além disso, exige que o sistema de medição para ser facilmente implementável numa linha de produção e, portanto, relativamente compacto para ser instalado em infra-estruturas existentes.

A holografia, que foi introduzido pela primeira vez por Gabor ^3, é uma técnica que permite a recuperação da informação quantitativa completa de um objecto através da gravação de interferência entre uma referência e uma onda de objecto para um meio fotossensível. Durante este processo conhecido como a gravação, a amplitude, fase e polarização de um campo são armazenados no meio. Em seguida, o campo de onda objecto pode ser recuperada, enviando o feixe de referência para o medio, um processo conhecido como a leitura óptica do holograma. Uma vez que um detector convencional só registra a intensidade da onda, a holografia tem sido um assunto de grande interesse nos últimos cinquenta anos, uma vez que dá acesso a informações adicionais sobre o campo elétrico. No entanto, vários aspectos da holografia convencional tornam impraticável para aplicações na indústria. Com efeito, materiais fotossensíveis são caros e o processo de gravação em geral exige um grau elevado de estabilidade. Avanços em sensores de câmera de alta resolução, tais como dispositivos de acoplamento de cargas (CCD) abriram uma nova abordagem para a metrologia digital. Uma dessas técnicas é conhecida como holografia digital de ^4. Em holografia digital (DH), o holograma é gravado numa câmara (meio de registo) e processos numéricos são utilizados para reconstruir a informação de fase e intensidade. Tal como acontece com a holografia convencional, o resultado pode ser obtido após dois procedimentos principais: a gravação e de reconstrução, como mostrado na Figura 1. No entanto, se a gravação é semelhante à holografia convencional, a reconstrução é única numérica ^5. O processo de reconstrução numérica é mostrado na Figura 2. Dois processos estão envolvidos no processo de reconstrução. Em primeiro lugar, o campo de onda objecto é recuperado a partir do holograma. O holograma é multiplicado com uma onda de referência numérico para chegar a frente de onda objeto no plano holograma. Em segundo lugar, a frente de onda objecto complexa é numericamente propagada para o plano da imagem. No nosso sistema, esta etapa é realizada usando o método de convolução ^6. O campo reconstruída obtida é uma função complexa e, portanto, a intensidade de fase e pode ser extraída fornecer informação quantitativa sobre a altura do objecto de interesse. A capacidade de armazenamento de informação toda campo no método de holografia e o uso da tecnologia de computador para o processamento rápido de dados oferecem mais flexibilidade na configuração experimental e aumentar significativamente o speed do processo experimental, abrindo novas possibilidades para desenvolver DH como uma ferramenta metrológica dinâmico para MEMS e micro-sistemas ^7,8.

Uso de holografia digital na imagem de contraste de fase está agora bem estabelecida e foi apresentada pela primeira vez mais de dez anos atrás ^9. Na verdade, a investigação de dispositivos microscópicos, combinando a holografia digital e microscopia foi realizada em diversos estudos ^{10, 11, 12, 13.} Vários sistemas baseados em alta coerência ¹⁴ e baixa coerência ¹⁵ fontes, bem como diferentes tipos de geometria ^{13, 16, 17} (em linha, fora do eixo, caminho comum …) têm sido apresentados. Além disso, de acordo holografia digital tem sido utilizada anteriormente para a caracterização do dispositivo MEMS ^{18, 19.} No entanto, esses sistemas são geralmente difíceis de implementar e volumoso, tornando-os inadequados para aplicações industriais. Neste estudo, propomos um sistema compacto, simples e lente livre com base em off axis holografia digital capaz de inspecção MEMS tempo real e caracterização. O microscópio digital compacta Holographic (CDHM) é uma lente menos sistema holográfico digital desenvolvido e patenteado para obter a morfologia 3D de objectos especulares micro-size. No nosso sistema, a 10 mW, altamente estável, com temperatura controlada de laser de diodo operando a 638 nm, é acoplado numa fibra mono-modo. Como mostrado na Figura 3, o feixe divergente que emana a partir da fibra é dividida em uma referência e um feixe de objecto por um divisor de feixe. O caminho do feixe de referência compreende um espelho inclinado para realizar o eixo geométrico de folga. O feixe objecto é dispersa e refletida pela amostra. Os dois feixes interferir no CCD dando o holograma. O padrão de interferência impressa na imagem é chamada um veículo espacial e permite a recuperação da informação de fase quantitativa com apenas uma imagem. A reconstrução numérica é realizada utilizando um comum de Fourier transformar e algoritmo de convolução como STAted anteriormente. A configuração de lente-less tem várias vantagens tornando-o atraente. Como não há lentes são utilizados, o feixe de entrada é uma onda divergente proporcionando uma ampliação geométrica natural e, assim, melhorar a resolução do sistema. Além disso, é livre de aberrações encontradas em sistemas ópticos típicos. Como pode ser observado na Figura 3B, o sistema pode ser feito compacto (55x75x125 mm ³⁾ e leve (400 g), e, portanto, pode ser facilmente integrado na linha de produção industrial.