Name: compact lens-less digital holographic microscope for mems inspection and characterization
Uploaded: 2016-07-05T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Compact Lens-less Digital Holographic Microscope for MEMS Inspection and Characterization at JoVE.com

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1. Preparazione preliminare della misura Nota: Il campione utilizzato per l&#39;esperimento è un elettrodo MEMS. Gli elettrodi d&#39;oro sono fabbricati su un wafer di silicio con decollo processo. Il campione è di 18 mm x 18 millimetri di wafer con strutture periodiche (elettrodi) con un periodo di 1 millimetro <ol><li> Accedi al giornale di bordo prima di utilizzare il sistema. </li><li> Accendere il computer e LASER fase di traduzione. </li><li> Mettere il / campione MEMS elettrodo micro-diaframma. <ol><l...

<ol>
	<li>Maluf, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> An introduction to Microelectromechanical Systems. , (2002).</li><li>Novak, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=MEMS+metrology+techniques.">MEMS metrology techniques.</a> Proc. SPIE. 5716, 173-181 (2005).</li><li>Gabor, D. <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+Microscopic+Principle.">A New Microscopic Principle.</a> Nature. 161 (4098), 777-778 (1948).</li><li>Schnars, U., J&#252;ptner, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+recording+of+holograms+by+a+CCD+target+and+numerical+reconstruction.">Direct recording of holograms by a CCD target and numerical reconstruction.</a> Appl. Opt. 33 (2), 179-181 (1994).</li><li>Schnars, U., J&#252;ptner, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Digital+recording+and+numerical+reconstruction+of+holograms.">Digital recording and numerical reconstruction of holograms.</a> Meas. Sci. Technol. 13 (9), 85-101 (2002).</li><li>Pedrini, G., Schedin, S., Tiziani, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lensless+digital+holographic+interferometry+for+the+measurement+of+large+objects.">Lensless digital holographic interferometry for the measurement of large objects.</a> Opt. Commun. 171 (1-3), 29-36 (1999).</li><li>Dubois, F., Joannes, L., Legros, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improved+three-dimensional+imaging+with+a+digital+holography+microscope+with+a+source+of+partial+spatial+coherence.">Improved three-dimensional imaging with a digital holography microscope with a source of partial spatial coherence.</a> Appl. Opt. 38 (34), 7085-7094 (1999).</li><li>Lei, X., Xiaoyuan, P., Jianmin, M., Asundi, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Studies+of+digital+microscopic+holography+with+applications+to+microstructure+testing.">Studies of digital microscopic holography with applications to microstructure testing.</a> Appl. Opt. 40 (28), 5046-5051 (2001).</li><li>Cuche, E., Bevilacqua, F., Depeursinge, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Digital+holography+for+quantitative+phase-contrast+imaging.">Digital holography for quantitative phase-contrast imaging.</a> Opt. Lett. 24 (5), 291-293 (1999).</li><li>Qu, W., Yu, Y., Chee Oi, C., Raj Singh, V., 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=Quasi-physical+phase+compensation+in+digital+holographic+microscopy.">Quasi-physical phase compensation in digital holographic microscopy.</a> J. Opt. Soc. Am. 26 (9), 2005-2011 (2009).</li><li>Schedin, S., Pedrini, G., Tiziani, H. J., Santoyo, F. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simultaneous+three-dimensional+dynamic+deformation+measurements+with+pulsed+digital+holography.">Simultaneous three-dimensional dynamic deformation measurements with pulsed digital holography.</a> Appl. Opt. 38 (34), 7056-7062 (1999).</li><li>Lei, X., Xiaoyuan, P., Jianmin, M., Asundi, A. 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. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fingerprint+biometry+applications+of+digital+holography+and+low-coherence+interferography.">Fingerprint biometry applications of digital holography and low-coherence interferography.</a> Appl. Opt. 48 (34), 9-15 (2009).</li><li>Kolman, P., Chmel&#236;k, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coherence-controlled+holographic+microscope.">Coherence-controlled holographic microscope.</a> Opt. Express. 18 (21), 21990-22003 (2010).</li><li>Lee, M., Yaglidere, O., Ozcan, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Field-portable+reflection+and+transmission+microscopy+based+on+lensless+holography.">Field-portable reflection and transmission microscopy based on lensless holography.</a> Biomed. Opt. Express. 2 (9), 2721-2730 (2011).</li><li>Mico, V., Zalevsky, Z., Garc&#236;a, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Common-path+phase-shifting+digital+holographic+microscopy:+a+way+to+quantitative+phase+imaging+and+superresolution.">Common-path phase-shifting digital holographic microscopy: a way to quantitative phase imaging and superresolution.</a> Opt. Commun. 281 (17), 4273-4281 (2008).</li><li>Singh, V. R., Miao, J., Wang, Z., Hedge, G. M., 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=Dynamic+characterization+of+MEMS+diaphragm+using+time+averaged+in-line+digital+holography.">Dynamic characterization of MEMS diaphragm using time averaged in-line digital holography.</a> Opt. Commun. 280 (2), 285-290 (2007).</li><li>Singh, V. R., Anderi, A., Gorecki, C., Nieradko, L., 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=Characterization+of+MEMS+cantilevers+lensless+digital+holographic+microscope.">Characterization of MEMS cantilevers lensless digital holographic microscope.</a> Proc. SPIE. 6995, 69950F-1 (2008).</li><li>Schmidt, J. 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>

In questa recensione, noi forniamo un protocollo per recuperare con precisione la morfologia quantitativa di diversi dispositivi MEMS utilizzando un sistema compatto basandosi su olografia digitale. MEMS caratterizzazione sia in modalità statica che dinamica è dimostrata. dati 3D quantitativa di una micro MEMS canale si ottiene. Per convalidare l&#39;accuratezza del sistema, i risultati sono stati confrontati tra CDHM e AFM. Buon accordo viene trovato il che significa che l&#39;olografia digitale può essere una tecni...

Metrologia di micro e nano oggetti è di grande importanza per l&#39;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&#39;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&#39;industria richiede prestazioni di misura ad alta risoluzione, come la piena metrologia tridimensionale (3D), grande campo di visione, immagini ad alta risoluzione, e l&#39;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&#39;interferenza tra un riferimento e un&#39;onda oggetto in un mezzo fotosensibile. Durante questo processo noto come registrazione, l&#39;ampiezza, fase e polarizzazione di un campo sono memorizzati nel mezzo. Quindi il campo d&#39;onda oggetto può essere recuperato inviando il fascio di riferimento sul medium, un processo noto come lettura ottica dell&#39;ologramma. Poiché un rivelatore convenzionale registra solo l&#39;intensità dell&#39;onda, l&#39;olografia è stato oggetto di grande interesse negli ultimi cinquant&#39;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&#39;ologramma viene registrato su una fotocamera (supporto di registrazione) e processi numerici vengono utilizzati per ricostruire l&#39;informazione di fase e intensità. Come con l&#39;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&#39;onda oggetto viene recuperato dal ologramma. L&#39;ologramma viene moltiplicato per un onda di riferimento numerico per ottenere il fronte d&#39;onda oggetto sul piano ologramma. In secondo luogo, il complesso oggetto fronte d&#39;onda è numericamente propagato al piano dell&#39;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&#39;oggetto di interesse. La capacità di memorizzazione dell&#39;intero informazioni fi campo nel metodo olografia e l&#39;uso della tecnologia computer per l&#39;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&#39;utilizzo dell&#39;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&#39;ologramma. Il modello di interferenza impresso sull&#39;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&#39;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.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1228">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">2 MP Camera</td>
			<td style="width:251px;">Imaging Source</td>
			<td style="width:251px;">DMX 41BU02</td>
			<td style="width:512px;">used to record the hologram. 4.65 microns pixel size</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Motorized X,Y,Z Translation Stage</td>
			<td style="width:251px;">Zaber Technology&#160;</td>
			<td style="width:251px;">TLS28-M</td>
			<td>Holder for the system&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Beam splitter</td>
			<td style="width:251px;">Edmund optics</td>
			<td style="width:251px;">49-003</td>
			<td>Cube Beam splitter. Separate and recombine the object and reference beam</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Laser&#160;</td>
			<td style="width:251px;">Micro Laser Systems, Inc.</td>
			<td>SRT-F635S-20/OSYS</td>
			<td>Diode laser</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Mirror</td>
			<td style="width:251px;">Edmund Optics</td>
			<td style="width:251px;">#43-412-566</td>
			<td>1&#34; Dia. Protected Gold, &#955;/20 Flat Zerodur</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">monomode Fiber</td>
			<td style="width:251px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:251px;">S405-XP</td>
			<td style="width:512px;">Single Mode Optical Fiber, 400 - 680 nm, &#216;125 &#181;m Cladding</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Sample holder</td>
			<td style="width:251px;">Edmund Optics</td>
			<td style="width:251px;">#39-930</td>
			<td>Ideal Positioning Platform,&#177;35mm Travel in Both X and Y</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Hotplate</td>
			<td style="width:251px;">Thermolyne Mirak hotplate</td>
			<td style="width:251px;">Barnstead International HP72935-60</td>
			<td>temperature range&#160;&#160; 40-370 &#176;C</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Holoscope Software</td>
			<td style="width:251px;">d&#39;Optron Pte Ltd</td>
			<td style="width:251px;">NA</td>
			<td>software developed by the NTU researchers&#160;</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.

Il protocollo sopra descritto è stato progettato per controllare e caratterizzare MEMS e dispositivi Micro utilizzando il sistema CDHM. Nel nostro sistema, una fibra monomodale è accoppiato ad un diodo laser operante a una lunghezza d&#39;onda 633 nm. A causa della configurazione fascio divergente, è importante abbinare il fascio oggetto e percorso del fascio di riferimento per ottenere un ologramma che può essere ricostruito. Questo risultato è ottenuto attraverso un attento posizi...

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

Vi presentiamo una riflessione compatto sistema olografico digitale (CDHM) per l&#39;ispezione e la caratterizzazione di dispositivi MEMS. Lo dimostra una lente-less con un&#39;onda d&#39;ingresso divergente fornendo naturale ingrandimento geometrico. Entrambi gli studi statici e dinamici sono presentati.

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

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

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