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. Preparação preliminar da Medição Nota: A amostra utilizada para o experimento é um eletrodo de MEMS. Os eletrodos de ouro são fabricados em um wafer de silício usando lift off processo. A amostra é um 18 milímetros wafer x 18 mm com estruturas periódicas (eletrodos) com prazo de 1 milímetro <ol><li> Entre no diário de bordo antes de usar o sistema. </li><li> Ligue a alimentação do computador, laser e fase de tradução. </li><li> Colocar a amostra MEMS eletrodo / micro-diafragma. <ol><li> Colo...

<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>

Nesta revisão, nós fornecemos um protocolo para recuperar com precisão a morfologia quantitativa de diferentes dispositivos MEMS usando um sistema compacto contando com holografia digital. caracterização MEMS no modo estático e dinâmico é demonstrada. dados 3D quantitativos de um micro MEMS canal é obtido. A fim de validar a precisão do sistema, os resultados têm sido comparadas entre o CDHM e a AFM. Bom acordo é encontrado o que significa que a holografia digital pode ser uma técnica confiável para imagen...

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.

<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.

O protocolo acima descrito foi concebido para inspeccionar e caracterizar MEMS e dispositivos usando o sistema Micro CDHM. No nosso sistema, uma fibra mono-modo é acoplado a um diodo de laser que opera num comprimento de onda 633 nm. Devido à configuração de feixe divergente, é importante fazer corresponder o feixe de objecto e percurso do feixe de referência, a fim de obter um holograma que pode ser reconstruído. Isto é conseguido através de posicionamento vertical cuidadosa da...

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

Nós apresentamos um sistema holográfico digital compacta reflexão (CDHM) para inspeção e caracterização de dispositivos de MEMS. Um design de lente-less usando uma onda de entrada divergentes proporcionando ampliação geométrica natural é demonstrado. Ambos os estudos estáticos e dinâmicos são apresentados.

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

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

Research

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Engineering

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