Name: compact lens-less digital holographic microscope for mems inspection and characterization
Uploaded: 2016-07-05T15:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 28 s
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The authors have no acknowledgements.

測定の1.前準備注記：この実験に用いたサンプルは、MEMS電極です。金電極は、リフトオフプロセスを用いてシリコンウェーハ上に製造されます。サンプルを1mm期間18 mmの周期構造（電極）で×18ミリウエハーであります<ol><li>システムを使用する前に、ログブックにサインインします。 </li><li>コンピュータ、LASERと並進ステージ電源をオンにします。 </li><li> MEMS電極/マイクロダイアフラムサンプルを置きます。 <ol><li>ピンセットを用いて、試料ホルダーの中央にMEMSのサンプルを配置します。 </li><li>ビーム経路に電極を配置するために、試料ホルダーを調整します。ビューの最大測定フィールドは、カメラセンサのサイズによって定義されます。これは、2.3ミリメートルX 1.8ミリメートルの長方形です。 </li></ol></li><li>垂直方向電動ステージを用いて、近似的1.5センチメートルサンプルからシステムを移動します。 </li></ol> 2.ソフトウェアの設定の調整<ol><li> 3DViewを開きます。ソフトウェア。 3DViewは、C ++で開発され、社内のプログラムです。 </li><li>実験のために適切なカメラを選択するために、イメージングソースボタンをクリックします。モノクロCCDカメラを選択してください。単色ダイオードレーザーを用いているので、このセットアップではカラーカメラを避けてください。カラーカメラを使用する場合に加えて、同じ画素数では、解像度が低くなります。 <ol><li>デバイスの設定]タブで、[¥800（1280×960）ビデオフォーマットおよび第2のビデオレートあたり15フレーム。 </li></ol></li><li>カメラを起動するには、黄色の再生ボタンをクリックします。インプリントされた干渉縞（ホログラム）を持つオブジェクトの画像が表示されます。 <ol><li>必要に応じて画像の飽和を回避するために、最適なゲインと露出パラメータを調整します。 </li></ol></li><li>ライブビデオウィンドウのカメラビューを使用して、サンプルに調査するために正確な領域を選択するための試料位置を調整します。 </li><li>オープン設定]タブ。 <ol><li>設定]タブでは、（反射または透過）面の種類を選択し、ラの波長カメラのSER、およびピクセルサイズ。レーザーは、633nmで動作するダイオードレーザです。カメラの画素サイズは、4,650 nmです。サンプルモードが選択されるべきであるので、反射鏡面MEMS電極装置です。 注：CDHM構成は、反射面を測定することができます。しかし、ソフトウェアは、異なるデジタルホログラフィシステムは13を使用する場合に透明なサンプルを測定するために使用することができます。この設定の変更は、相​​からの高さ計算式を変更します。それは物体の屈折率を含むように、実際に、光路差の計算は、透明なサンプルについてわずかに異なります。 </li><li>コンボリューション再構成アルゴリズムを選択して、ゼロに復興の距離を設定します。 1または2の再構築ステップを選択してください。 注：再構成距離パラメータは、ホログラムから得られた強度画像を考慮すると、オートフォーカスを使用することによって、後で定義することができます。再構成ステップは、の数を定義しますフレネル積分を実施し、ビーム伝搬をシミュレートするために使用される手順。最初の方法は、単一のフーリエ変換として一度不可欠な評価します。 2の工程を2回積分を評価します。これは、グリッド間隔でより多くの柔軟性を追加しますが、計算上20あまり効率的です。 </li><li>後処理]タブでは、最終的に開封された画像を取得するために必要なアンラッピングアルゴリズムを選択します。選択品質はアルゴリズムをマッピングされました。 注：ソフトウェアでは、ゴールドスタインと品質の間の選択は、アルゴリズムを行うことができるマップされました。それ以降は、堅牢かつ迅速な空間位相アンラップを示しています。品質マッピングされたアルゴリズムは、21で説明したようにアンラップ導かれた位相に基づいています。 </li></ol></li></ol> 3.データ集録<ol><li>フーリエ変換フーリエスペクトルウィンドウを開くには、アイコンを変換押します。 One 0次と2 +1、-1受注が表示されます。そうでない場合、サンプルは正しい位置にあることを確認し、ゲイン調整再びD露光時間。 </li><li>ライブ測定モードを停止します。フィルタツールを使用して、回折次数（正または負の周波数）のいずれかを選択します。位相回復のために必要なすべての周波数が存在するように選択した領域が十分大きくなければなりません。再びライブモードに切り替えます。 注：負の順序の選択はちょうど最終結果の位相の符号に影響を与える、 すなわち、最終的な3D画像が反転します。 </li><li>位相ウィンドウを開きます。開封されたモードが有効になっていないことを確認してください。ラップされた縞刻印オブジェクトのグレーの位相画像が表示されます。 </li><li>位相画像における縞の数を減らすために、電動垂直ステージを利用します。唯一の1または2縞が画像上に残っている場合には、電動ステージを停止します。 注意：システムが干渉に基づいています。したがって、振動に敏感です。ラップされた位相画像がagai表示される前に、z方向電動ステージを移動した後、ユーザーは、1または2秒を待つ必要がありますn個。安定した位相画像を得るために、測定時の振動を回避することも重要です。 </li><li>最高の復興距離を見つけるために、オートフォーカス22ボタンをクリックします。一つは、強度画像がシャープでクリアな表示されるまで、最適な復興距離に近づくようにオートフォーカスを数回使用する必要があります。オートフォーカス22で説明したように、効率的かつ時間効果的な角度スペクトル法に基づくものです。 注：フォーカススライドバーは、微調整のために使用することができます。次に、現在の復興距離を記録するために中央のフォーカスボタンをクリックします。最良の焦点は、オートフォーカスオプションで発見されていないことを時々表示されます。この場合、手動で入力復興距離が最良の焦点を見つけるために。 </li><li>アンラップ]ボタンをクリックして、アンラップされた位相画像を見るために開封されたモードを有効にします。 </li></ol>静的測定4.データの可視化と分析<ol><li>最終的な3Dを見るために3D画像ウィンドウを開きます。サンプルの画像。 （...、カラーマップ、スケール表示を回転させる）、最終的な結果を観察するために利用可能なオプションを使用します。 </li><li>重複しないように窓を配置し、すべての測定ウィンドウを表示するには、タイルウィンドウ]ボタンをクリックしてください。 </li><li>アンラップされた位相画像上の関心領域に線を描画するラインルーラーを使用してください。折れ線グラフウィンドウで、関心領域の断面形状のプロットを観察することができます。オブジェクトのおおよその高さ（ 図5）を抽出するために、2つの緑色のラインマーカーを使用してください。 表面粗さは、試料の平坦な頂部で得ることができます。 </li><li>必要に応じて他のソフトウェアにインポートする.JPEG形式で、最終的な位相画像を保存します。 </li></ol>ダイナミック測定用のサンプルとデータ分析の5準備<ol><li>加熱ステーションプレート上のマイクロ振動板を配置します。実験が終了するまで、サンプルをプレートから除去されることはありません。 </li><li> MICRのホログラムを記録しますO絞り部2,3それは変形解析のための基準として使用されて上述し​​た手順に従うことにより、周囲温度で。 </li><li>コンピュータ上の位相データを保存します。 </li><li>実験室の加熱プレートをオンにします。 </li><li>温度ノブを使用して、50℃から300℃まで50℃刻みで温度を変化させます。各温度ステップでは、.JPEG形式の位相マップ画像を保存します。 </li><li>変形データを取得するために記録された他の位相マップから初期周囲温度の位相マップを減算します。 注：この後処理工程が単純なMATLABコードで実現することができます。得られた別の相はMATLABにロードされ、単純マトリクス減算が行われます。次に別の変形段階の断面プロットを得ることができます。 </li></ol>

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K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+and+validation+of+digital+microholo+interferometric+system+for+micromechanical+testing.">Development and validation of digital microholo interferometric system for micromechanical testing.</a> Proc. SPIE. 4778, 11-20 (2002).</li><li>Qu, W., Bhattacharya, K., Choo, C. O., Yu, Y., Asundi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transmission+digital+holographic+microscopy+based+on+a+beam-splitter+cube+interferometer.">Transmission digital holographic microscopy based on a beam-splitter cube interferometer.</a> Appl. Opt. 48 (15), 2778-2783 (2009).</li><li>Potcoava, M. C., Kim, M. 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D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Numerical+Simulation+of+Optical+Wave+Propagation+with+Examples+in+MATLAB.">Numerical Simulation of Optical Wave Propagation with Examples in MATLAB.</a> SPIE PRESS BOOK. , (2010).</li><li>Zhao, M., Huang, L., Zhang, Q. C., Su, X. Y., Asundi, A., Qian, K. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quality-guided+phase+unwrapping+technique:+comparison+of+quality+maps+and+guiding+strategies.">Quality-guided phase unwrapping technique: comparison of quality maps and guiding strategies.</a> Appl. Opt. 50 (33), 6214-6224 (2011).</li><li>Wang, Z., Qu, W., Yang, F., Wen, Y., Asundi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+autofocus+method+based+on+angular+spectrum+method+in+digital+holography.">A new autofocus method based on angular spectrum method in digital holography.</a> Proc. SPIE. 9449, 2-7 (2015).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

このレビューでは、我々は正確にデジタルホログラフィに頼ってコンパクトなシステムを使用して、別のMEMSデバイスの定量的な形態を回復するためのプロトコルを提供します。静的および動的の両方のモードでMEMSの特徴付けが実証されています。マイクロチャネルMEMSの定量的な3次元データが得られます。システムの精度を検証するために、結果がCDHMとAFMの間で比較しました。良好な一致?...

マイクロおよびナノ物体の計測技術は、業界や研究者の両方にとって非常に重要です。実際、オブジェクトの小型化が光学測定のための新たな挑戦を表します。微小電気機械システム（MEMS）は、一般的に定義されている電気機械システムを小型化し、通常、マイクロセンサ、マイクロアクチュエータ、マイクロエレクト​​ロニクスおよび微細構造などのコンポーネントを備えています。このようなバイオテクノロジー、医療、通信などの多様な分野で多くのアプリケーションを発見し、1を検出しました。最近、ますます複雑だけでなく、試験対象物の漸進的な小型化がMEMSに適した特性評価技術の開発のための呼び出しを提供しています。これらの複雑なマイクロシステムの高スループット製造プロセス条件2による特性パラメータと関連する欠陥を定量化するために、高度なインライン測定技術の実装を必要とします。幾何学的パラメーターの例えば、偏差MEMSデバイスにおけるメータは、システムの特性に影響を与える、特徴付けされなければなりません。加えて、産業界は、完全な三次元（3D）計測、ビュー、高撮像分解能の大型のfi ELD、リアルタイム分析のような高解像度の測定性能を必要とします。これにより、品質管理や検査工程信頼性を確保するために不可欠です。また、既存のインフラストラクチャにインストールするために生産ライン上で容易に実現可能と、比較的コンパクトに測定システムを必要とします。 最初のガボール3によって導入されたホログラフィは、参照および感光媒体への物体波との干渉を記録することによって、オブジェクトの完全な定量的情報の回復を可能にする技術です。記録として知られるこのプロセスの間に、電界の振幅、位相及び偏光を媒体に格納されています。次に物体波フィールドは、私の上に基準ビームを送信することによって回収することができますdium、ホログラムの光学読み取りとして知られているプロセス。従来の検出器が唯一の波の強度を記録するので、それは電界に関する追加情報へのアクセスを提供しますので、ホログラフィは、過去50年間に大きな関心の対象となっています。しかし、従来のホログラフィーのいくつかの側面は、業界のアプリケーションに非実用的にします。実際には、感光材料が高価であり、記録処理は、一般的に高い安定性を必要とします。このような電荷結合素子（CCD）のような高解像度のカメラセンサーの進歩は、デジタル計測のための新しいアプローチを開いています。これらの技術の一つは、デジタルホログラフィ4として知られています。デジタルホログラフィ（DH）において、ホログラムは、カメラ（記録媒体）に記録され、数値処理は、位相および強度情報を再構築するために使用されます。 Fiのに示すように、記録再生：従来のホログラフィと同様に、結果は2つの主要な手順の後に得ることができます記録は、従来のホログラフィに類似している場合グレ1。しかし、再構成は5のみの数値です。数値的再構成プロセスは、 図2に示されている。2つの手順は、再構築プロセスに関与しています。まず、物体波フィールドは、ホログラムから取得されます。ホログラムは、ホログラム面でのオブジェクトの波面を取得するには、数値基準波と乗算されます。第二に、複雑なオブジェクトの波面は、数値的に画像平面に伝播されます。我々のシステムでは、このステップは、コンボリューション法6を用いて行われます。得られた再構成されたフィールドは、複雑な関数であり、従って、位相および強度は、関心対象の定量的高さの情報を提供する抽出することができます。ホログラフィ方式で全体のfi ELD情報記憶能力および高速データ処理のためのコンピュータ技術の使用は、実験的な構成の柔軟性を提供し、大幅にSPEEを高めます実験的プロセスの開発、MEMSおよびマイクロシステム7,8のための動的計量ツールとしてDHを開発するために新たな可能性を開きます。 位相コントラストイメージングにおけるデジタルホログラフィの使用は、現在十分に確立され、最初の十年以上前に9提示されました。実際、デジタルホログラフィと顕微鏡を組み合わせて、微小デバイスの調査は、多くの研究10、11、12、13で行われた。高コヒーレンス14と、低コヒーレンス15ソースならびに幾何13、16の異なるタイプに基づいて、いくつかのシステムで、17 （ラインで、軸、共通のパスから...）提示されています。また、ラインのデジタルホログラフィは、MEMSデバイス18、19の特性に以前に使用されてきた。しかし、これらのシステムは、一般に実現するのが困難とかさばる工業的用途に適しません。本研究では、オフAXIに基づく自由な、コンパクトでシンプルなレンズシステムを提案しますリアルタイムMEMS検査および特性評価のためのデジタルホログラフィが可能です。コンパクトデジタルホログラフィック顕微鏡（CDHM）は、マイクロサイズの鏡面物体の3次元形態を得るために開発し、特許を取得したレンズ少ないデジタルホログラフィックシステムです。我々のシステムでは、638 nmで動作する10mWで、非常に安定し、温度制御されたダイオードレーザは、単一モード光ファイバに結合されます。 図3に示すように 、ファイバから発する発散ビームは、ビームスプリッタによって基準と物体光に分割されます。参照光路ジオメトリ軸オフを実現するために傾斜ミラーを含みます。物体光は散乱し、サンプルによって反射されます。 2つのビームは、ホログラムを与えるCCDに干渉する。画像上に刷り込ま干渉パターンが空間キャリアと呼ばれ、1つの画像のみで定量的位相情報の回復を可能にされています。数値再構成は、一般的なフーリエ変換や駅などの畳み込みアルゴリズム使用して実行されます以前テッド。レンズレスの構成は、それが魅力的ないくつかの利点を有します。いかなるレンズが使用されないように、入力ビームは、天然の幾何学的倍率を提供し、従って、システムの解像度を向上させる発​​散波です。また、一般的な光学系で遭遇する諸収差の自由です。 図3Bに見られるように、システムは、（400nm G）、（55x75x125ミリ3）軽量コンパクトにすることができ、容易に工業生産ラインに組み込むことができます。

<table><tbody><tr><td>2 MP Camera</td><td>Imaging Source</td><td>DMX 41BU02</td><td>used to record the hologram. 4.65&amp;nbsp;microns pixel size</td></tr><tr><td>Motorized X,Y,Z Translation Stage</td><td>Zaber Technology&amp;nbsp;</td><td>TLS28-M</td><td>Holder for the system&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Beam splitter</td><td>Edmund optics</td><td>49-003</td><td>Cube Beam splitter. Separate and recombine the object and reference beam</td></tr><tr><td>Laser&amp;nbsp;</td><td>Micro Laser Systems, Inc.</td><td>SRT-F635S-20/OSYS</td><td>Diode laser</td></tr><tr><td>Mirror</td><td>Edmund Optics</td><td>#43-412-566</td><td>1&quot; Dia. Protected Gold, &amp;lambda;/20 Flat Zerodur</td></tr><tr><td>monomode Fiber</td><td>Thorlabs</td><td>S405-XP</td><td>Single Mode Optical Fiber, 400 - 680 nm, &amp;Oslash; 125 &amp;micro;m Cladding</td></tr><tr><td>Sample holder</td><td>Edmund Optics</td><td>#39-930</td><td>Ideal Positioning Platform, &amp;plusmn;35&amp;nbsp;mm Travel in Both X and Y</td></tr><tr><td>Hotplate</td><td>Thermolyne Mirak hotplate</td><td>Barnstead International HP72935-60</td><td>temperature range 40-370 &amp;deg;C</td></tr><tr><td>Holoscope Software</td><td>d&#039;Optron Pte Ltd</td><td></td><td>software developed by the NTU researchers&amp;nbsp;</td></tr></tbody></table>

compact lens-less digital holographic microscope for mems inspection and characterization

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.

上記のプロトコルは、CDHMシステムを用いたMEMSとマイクロデバイスを検査し、特徴付けるために設計されました。我々のシステムでは、単一モード光ファイバは、633nmの波長で動作するダイオードレーザに結合されています。発散ビーム構成には、再構成することができるホログラムを得るために、物体光と参照光路を一致させることが重要です。これは、システムに...

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Compact Lens-less Digital Holographic Microscope for MEMS Inspection and Characterization

私たちは、MEMSデバイスの検査および特徴付けのためにコンパクトな反射デジタルホログラフィックシステム（CDHM）を提示します。自然の幾何学的な倍率を提供発散入力波を用いたレンズレス設計が実証されています。静的および動的の両方の研究が提示されています。

MEMS検査および特性評価のためのコンパクトなレンズレスデジタルホログラフィック顕微鏡

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and ...

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Research

JoVE Journal

Engineering

10.2K ビュー.  Nanyang Technological University. 私たちは、MEMSデバイスの検査および特徴付けのためにコンパクトな反射デジタルホログラフィックシステム（CDHM）を提示します。自然の幾何学的な倍率を提供発散入力波を用いたレンズレス設計が実証されています。静的および動的の両方の研究が提示されています。 

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Lensless Fluorescent Microscopy on a Chip

On-chip lensless imaging in general aims to replace bulky lens-based optical microscopes with simpler and more compact designs, especially for high-throughput screening applications. This emerging technology platform has the potential to eliminate the need for bulky and/or costly optical components through the help of novel theories and digital reconstruction algorithms. Along the same lines, here we demonstrate an on-chip fluorescent microscopy modality that can achieve e.g., &lt;4&mu;m spatial resolution over an ultra-wide field-of-view (FOV) of &gt;0.6-8 cm2 without the use of any lenses, mechanical-scanning or thin-film based interference filters. In this technique, fluorescent excitation is achieved through a prism or hemispherical-glass interface illuminated by an incoherent source. After interacting with the entire object volume, this excitation light is rejected by total-internal-reflection (TIR) process that is occurring at the bottom of the sample micro-fluidic chip. The fluorescent emission from the excited objects is then collected by a fiber-optic faceplate or a taper and is delivered to an optoelectronic sensor array such as a charge-coupled-device (CCD). By using a compressive-sampling based decoding algorithm, the acquired lensfree raw fluorescent images of the sample can be rapidly processed to yield e.g., &lt;4&mu;m resolution over an FOV of &gt;0.6-8 cm2. Moreover, vertically stacked micro-channels that are separated by e.g., 50-100 &mu;m can also be successfully imaged using the same lensfree on-chip microscopy platform, which further increases the overall throughput of this modality. This compact on-chip fluorescent imaging platform, with a rapid compressive decoder behind it, could be rather valuable for high-throughput cytometry, rare-cell research and microarray-analysis.

A lensless on-chip fluorescent microscopy platform is demonstrated that can image fluorescent objects over an ultra-wide field-of-view of e.g., &#62;0.6-8 cm2 with &#60;4&#956;m resolution using a compressive sampling based decoding algorithm. Such a compact and wide-field fluorescent on-chip imaging modality could be valuable for high-throughput cytometry, rare-cell research and microarray-analysis.

チップ上Lensless蛍光顕微鏡

On-chip lensless imaging in general aims to replace bulky lens-based optical microscopes with simpler and more compact designs, especially for ...

生物工学

Lensfree On-chip Tomographic Microscopy Employing Multi-angle Illumination and Pixel Super-resolution

Tomographic imaging has been a widely used tool in medicine as it can provide three-dimensional (3D) structural information regarding objects of different size scales. In micrometer and millimeter scales, optical microscopy modalities find increasing use owing to the non-ionizing nature of visible light, and the availability of a rich set of illumination sources (such as lasers and light-emitting-diodes) and detection elements (such as large format CCD and CMOS detector-arrays). Among the recently developed optical tomographic microscopy modalities, one can include optical coherence tomography, optical diffraction tomography, optical projection tomography and light-sheet microscopy. 1-6 These platforms provide sectional imaging of cells, microorganisms and model animals such as C. elegans, zebrafish and mouse embryos.
Existing 3D optical imagers generally have relatively bulky and complex architectures, limiting the availability of these equipments to advanced laboratories, and impeding their integration with lab-on-a-chip platforms and microfluidic chips. To provide an alternative tomographic microscope, we recently developed lensfree optical tomography (LOT) as a high-throughput, compact and cost-effective optical tomography modality. 7 LOT discards the use of lenses and bulky optical components, and instead relies on multi-angle illumination and digital computation to achieve depth-resolved imaging of micro-objects over a large imaging volume. LOT can image biological specimen at a spatial resolution of &lt;1 &mu;m x &lt;1 &mu;m x &lt;3 &mu;m in the x, y and z dimensions, respectively, over a large imaging volume of 15-100 mm3, and can be particularly useful for lab-on-a-chip platforms.

Lensfree optical tomography is a three-dimensional microscopy technique that offers a spatial resolution of &lt;1 &mu;m &times; &lt;1 &mu;m &times; &lt;3 &mu;m in x, y and z dimensions, respectively, over a large imaging-volume of 15-100 mm3, which can be particularly useful for integration with lab-on-a-chip platforms.

マルチアングル照明とピクセル超高解像度を採用しLensfreeオンチップ·トモグラフィー顕微鏡

Tomographic imaging has been a widely used tool in medicine as it can provide three-dimensional (3D) structural information regarding objects of different ...

Demonstration of a Hyperlens-integrated Microscope and Super-resolution Imaging

The use of super-resolution imaging to overcome the diffraction limit of conventional microscopy has attracted the interest of researchers in biology and nanotechnology. Although near-field scanning microscopy and superlenses have improved the resolution in the near-field region, far-field imaging in real-time remains a significant challenge. Recently, the hyperlens, which magnifies and converts evanescent waves into propagating waves, has emerged as a novel approach to far-field imaging. Here, we report the fabrication of a spherical hyperlens composed of alternating silver (Ag) and titanium oxide (TiO2) thin layers. Unlike a conventional cylindrical hyperlens, the spherical hyperlens allows for two-dimensional magnification. Thus, incorporation into conventional microscopy is straightforward. A new optical system integrated with the hyperlens is proposed, allowing for a sub-wavelength image to be obtained in the far-field region in real time. In this study, the fabrication and imaging setup methods are explained in detail. This work also describes the accessibility and possibility of the hyperlens, as well as practical applications of real-time imaging in living cells, which can lead to a revolution in biology and nanotechnology.

The use of a hyperlens has been regarded as a novel super-resolution imaging technique due to its advantages in real-time imaging and its simple implementation with conventional optics. Here, we present a protocol describing the fabrication and imaging applications of a spherical hyperlens.

ハイパー レンズ一体型顕微鏡と超解像イメージングのデモ

The use of super-resolution imaging to overcome the diffraction limit of conventional microscopy has attracted the interest of researchers in biology and ...

工学

Spectral and Angle-Resolved Magneto-Optical Characterization of Photonic Nanostructures

Photonic crystals are periodic nanostructures that can support a variety of confined electromagnetic modes. Such confined modes are usually accompanied by local enhancement of electric field intensity that strengthens light-matter interactions, enabling applications such as surface-enhanced Raman scattering (SERS) and surface plasmon enhanced sensing. In the presence of magneto-optically active materials, the local field enhancement gives rise to anomalous magneto-optical activity. Typically, the confined modes of a given photonic crystal depend strongly on the wavelength and incidence angle of the incident electromagnetic radiation. Thus, spectral and angular-resolved measurements are needed to fully identify them as well as to establish their relationship with the magneto-optical activity of the crystal. In this article, we describe how to use a Fourier-plane (back focal plane) microscope to characterize magneto-optically active samples. As a model system, here we use a plasmonic grating built out of magneto-optically active Au/Co/Au multilayer. In the experiments, we apply a magnetic field on the grating in situ and measure its reciprocal space response, obtaining the magneto-optical response of the grating over a range of wavelengths and incident angles. This information enables us to build a complete map of the plasmonic band structure of the grating and the angle and wavelength dependent magneto-optical activity. These two images allow us to pinpoint the effect that the plasmon resonances have on the magneto-optical response of the grating. The relatively small magnitude of magneto-optical effects requires a careful treatment of the acquired optical signals. To this end, an image processing protocol for obtaining magneto-optical response from the acquired raw data is laid out.

Photonic band structure enables understanding how confined electromagnetic modes propagate within a photonic crystal. In photonic crystals that incorporate magnetic elements, such confined and resonant optical modes are accompanied by enhanced and modified magneto-optical activity. We describe a measurement procedure to extract the magneto-optical band structure by Fourier space microscopy.

フォトニックナノ構造のスペクトルと角度分解磁気光学特性

Photonic crystals are periodic nanostructures that can support a variety of confined electromagnetic modes. Such confined modes are usually accompanied by ...

Lensless On-chip Imaging of Cells Provides a New Tool for High-throughput Cell-Biology and Medical Diagnostics

Conventional optical microscopes image cells by use of objective lenses that work together with other lenses and optical components. While quite effective, this classical approach has certain limitations for miniaturization of the imaging platform to make it compatible with the advanced state of the art in microfluidics. In this report, we introduce experimental details of a lensless on-chip imaging concept termed LUCAS (Lensless Ultra-wide field-of-view Cell monitoring Array platform based on Shadow imaging) that does not require any microscope objectives or other bulky optical components to image a heterogeneous cell solution over an ultra-wide field of view that can span as large as ~18 cm2. Moreover, unlike conventional microscopes, LUCAS can image a heterogeneous cell solution of interest over a depth-of-field of ~5 mm without the need for refocusing which corresponds to up to ~9 mL sample volume. This imaging platform records the shadows (i.e., lensless digital holograms) of each cell of interest within its field of view, and automated digital processing of these cell shadows can determine the type, the count and the relative positions of cells within the solution. Because it does not require any bulky optical components or mechanical scanning stages it offers a significantly miniaturized platform that at the same time reduces the cost, which is quite important for especially point of care diagnostic tools. Furthermore, the imaging throughput of this platform is orders of magnitude better than conventional optical microscopes, which could be exceedingly valuable for high-throughput cell-biology experiments.

Lensfree on-chip imaging and characterization of cells is illustrated. This on-chip cell imaging approach provides a compact and cost-effective tool for medical diagnostics and high-throughput cell biology applications, making it especially suitable for resource poor settings.

細胞のLenslessオンチップイメージングは​​、ハイスループット細胞生物学および医学診断のための新しいツールを提供します。

Conventional optical microscopes image cells by use of objective lenses that work together with other lenses and optical components. While quite ...

生物学

Uncovering Hidden Dynamics of Natural Photonic Structures Using Holographic Imaging

In this method, the potential of optics and holography to uncover hidden details of a natural system's dynamical response at the nanoscale is exploited. In the first part, the optical and holographic studies of natural photonic structures are presented as well as conditions for the appearance of the photophoretic effect, namely, the displacement or deformation of a nanostructure due to a light-induced thermal gradient, at the nanoscale. This effect is revealed by real-time digital holographic interferometry monitoring the deformation of scales covering the wings of insects induced by temperature. The link between geometry and nanocorrugation that leads to the emergence of the photophoretic effect is experimentally demonstrated and confirmed. In the second part, it is shown how holography can be potentially used to uncover hidden details in the chemical system with nonlinear dynamics, such as the phase transition phenomenon that occurs in complex oscillatory Briggs-Rauscher (BR) reaction. The presented potential of holography at the nanoscale could open enormous possibilities for controlling and molding the photophoretic effect and pattern formation for various applications such as particle trapping and levitation, including the movement of unburnt hydrocarbons in the atmosphere and separation of different aerosols, decomposition of microplastics and fractionation of particles in general, and assessment of temperature and thermal conductivity of micron-size fuel particles.

The paper is primarily focused on the combined power of optical (linear and nonlinear) and holographic methods used to reveal phenomena at the nanoscale. The results obtained from the biophotonic and oscillatory chemical reactions' studies are given as representative examples, highlighting holography's ability to reveal dynamics at a nanoscale.

ホログラフィックイメージングを用いた自然光構造の隠れたダイナミクスの解明

In this method, the potential of optics and holography to uncover hidden details of a natural system's dynamical response at the nanoscale is exploited. ...

化学

Quantifying Microorganisms at Low Concentrations Using Digital Holographic Microscopy (DHM)

Accurately detecting and counting sparse bacterial samples has many applications in the food, beverage, and pharmaceutical processing industries, in medical diagnostics, and for life detection by robotic missions to other planets and moons of the solar system. Currently, sparse bacterial samples are counted by culture plating or epifluorescence microscopy. Culture plates require long incubation times (days to weeks), and epifluorescence microscopy requires extensive staining and concentration of the sample. Here, we demonstrate how to use off-axis digital holographic microscopy (DHM) to enumerate bacteria in very dilute cultures (100-104 cells/mL). First, the construction of the custom DHM is discussed, along with detailed instructions on building a low-cost instrument. The principles of holography are discussed, and a statistical model is used to estimate how long videos should be to detect cells, based on the optical performance characteristics of the instrument and the concentration of the bacterial solution (Table 2). Video detection of cells at 105, 104, 103, and 100 cells/mL is demonstrated in real time using un-reconstructed holograms. Reconstruction of amplitude and phase images is demonstrated using an open-source software package.

Quantifying Microorganisms at Low Concentrations Using Digital Holographic Microscopy DHM

Digital holographic microscopy (DHM) is a volumetric technique that allows imaging samples 50-100X thicker than brightfield microscopy at comparable resolution, with focusing performed post-processing. Here DHM is used for identifying, counting, and tracking microorganisms at very low densities and compared with optical density measurements, plate count, and direct count.

デジタル ホログラフィー顕微鏡 (DHM) を用いた低濃度で微生物の定量化

Accurately detecting and counting sparse bacterial samples has many applications in the food, beverage, and pharmaceutical processing industries, in ...

Digital Inline Holographic Microscopy (DIHM) of Weakly-scattering Subjects

Weakly-scattering objects, such as small colloidal particles and most biological cells, are frequently encountered in microscopy. Indeed, a range of techniques have been developed to better visualize these phase objects; phase contrast and DIC are among the most popular methods for enhancing contrast. However, recording position and shape in the out-of-imaging-plane direction remains challenging. This report introduces a simple experimental method to accurately determine the location and geometry of objects in three dimensions, using digital inline holographic microscopy (DIHM). Broadly speaking, the accessible sample volume is defined by the camera sensor size in the lateral direction, and the illumination coherence in the axial direction. Typical sample volumes range from 200 &#181;m&#160;x 200 &#181;m&#160;x 200 &#181;m using LED illumination, to 5 mm&#160;x 5 mm&#160;x 5 mm or larger using laser illumination. This illumination light is configured so that plane waves are incident on the sample. Objects in the sample volume then scatter light, which interferes with the unscattered light to form interference patterns perpendicular to the illumination direction. This image (the hologram) contains the depth information required for three-dimensional reconstruction, and can be captured on a standard imaging device such as a CMOS or CCD camera. The Rayleigh-Sommerfeld back propagation method is employed to numerically refocus microscope images, and a simple imaging heuristic based on the Gouy phase anomaly is used to identify scattering objects within the reconstructed volume. This simple but robust method results in an unambiguous, model-free measurement of the location and shape of objects in microscopic samples.

Digital Inline Holographic Microscopy DIHM of Weakly-scattering Subjects

The three-dimensional locations of weakly-scattering objects can be uniquely identified using digital inline holographic microscopy (DIHM), which involves a minor modification to a standard microscope. Our software uses a simple imaging heuristic coupled with Rayleigh-Sommerfeld back-propagation to yield the three-dimensional position and geometry of a microscopic phase object.

弱散乱被験者のデジタルインラインホログラフィ顕微鏡（DIHM）

Weakly-scattering objects, such as small colloidal particles and most biological cells, are frequently encountered in microscopy. Indeed, a range of ...

Evaluation and Manipulation of Neural Activity Using Two-Photon Holographic Microscopy

Recent advances in optical bioimaging and optogenetics have enabled the visualization and manipulation of biological phenomena, including cellular activities, in living animals. In the field of neuroscience, detailed neural activity related to brain functions, such as learning and memory, has now been revealed, and it has become feasible to artificially manipulate this activity to express brain functions. However, the conventional evaluation of neural activity by two-photon Ca2+ imaging has the problem of low temporal resolution. In addition, manipulation of neural activity by conventional optogenetics through the optic fiber can only simultaneously regulate the activity of neurons with the same genetic background, making it difficult to control the activity of individual neurons. To solve this issue, we recently developed a microscope with a high spatiotemporal resolution for biological applications by combining optogenetics with digital holographic technology that can modify femtosecond infrared laser beams. Here, we describe protocols for the visualization, evaluation, and manipulation of neural activity, including the preparation of samples and operation of a two-photon holographic microscope (Figure 1). These protocols provide accurate spatiotemporal information on neural activity, which may be useful for elucidating the pathogenesis of neuropsychiatric disorders that lead to abnormalities in neural activity.

We developed a two-photon holographic microscope that can visualize, assess, and manipulate neural activity using high spatiotemporal resolution, with the aim of elucidating the pathogenesis of neuropsychiatric disorders that are associated with abnormal neural activity.

2光子ホログラフィック顕微鏡を用いた神経活動の評価と操作

Recent advances in optical bioimaging and optogenetics have enabled the visualization and manipulation of biological phenomena, including cellular ...

神経科学

Lens-free Video Microscopy for the Dynamic and Quantitative Analysis of Adherent Cell Culture

Here, we demonstrate that lens-free video microscopy enables us to simultaneously capture the kinetics of thousands of cells directly inside the incubator and that it is possible to monitor and quantify single cells along several cell cycles. We describe the full protocol used to monitor and quantify a HeLa cell culture for 2.7 days. First, cell culture acquisition is performed with a lens-free video microscope, and then the data is analyzed following a four-step process: multi-wavelength holographic reconstruction, cell-tracking, cell segmentation and cell division detection algorithms. As a result, we show that it is possible to gather a dataset featuring more than 10,000 cell cycle tracks and more than 2 x 106 cell morphological measurements.

Lens-free video microscopy enables us to monitor cell cultures directly inside the incubator. Here we describe the full protocol used to acquire and analyze a 2.7 day long acquisition of cultured HeLa cells, leading to a dataset of 2.2 x 106 measurements of individual cell morphology and 10584 cell cycle tracks.

レンズ無料のビデオ顕微鏡、付着性細胞培養の定量的解析

Here, we demonstrate that lens-free video microscopy enables us to simultaneously capture the kinetics of thousands of cells directly inside the incubator ...

MEMS検査および特性評価のためのコンパクトなレンズレスデジタルホログラフィック顕微鏡

要約

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チップ上Lensless蛍光顕微鏡

マルチアングル照明とピクセル超高解像度を採用しLensfreeオンチップ·トモグラフィー顕微鏡

ハイパーレンズ一体型顕微鏡と超解像イメージングのデモ

フォトニックナノ構造のスペクトルと角度分解磁気光学特性

細胞のLenslessオンチップイメージングは、ハイスループット細胞生物学および医学診断のための新しいツールを提供します。

ホログラフィックイメージングを用いた自然光構造の隠れたダイナミクスの解明

デジタルホログラフィー顕微鏡 (DHM) を用いた低濃度で微生物の定量化

弱散乱被験者のデジタルインラインホログラフィ顕微鏡（DIHM）

2光子ホログラフィック顕微鏡を用いた神経活動の評価と操作

レンズ無料のビデオ顕微鏡、付着性細胞培養の定量的解析

MEMS検査および特性評価のためのコンパクトなレンズレスデジタルホログラフィック顕微鏡

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マルチアングル照明とピクセル超高解像度を採用しLensfreeオンチップ·トモグラフィー顕微鏡

ハイパー レンズ一体型顕微鏡と超解像イメージングのデモ

フォトニックナノ構造のスペクトルと角度分解磁気光学特性

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ホログラフィックイメージングを用いた自然光構造の隠れたダイナミクスの解明

デジタル ホログラフィー顕微鏡 (DHM) を用いた低濃度で微生物の定量化

弱散乱被験者のデジタルインラインホログラフィ顕微鏡（DIHM）

2光子ホログラフィック顕微鏡を用いた神経活動の評価と操作

レンズ無料のビデオ顕微鏡、付着性細胞培養の定量的解析

ハイパーレンズ一体型顕微鏡と超解像イメージングのデモ

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デジタルホログラフィー顕微鏡 (DHM) を用いた低濃度で微生物の定量化