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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1. Vorläufige Vorbereitung der Messung Anmerkung: Die für das Experiment verwendete Probe eine MEMS-Elektrode ist. Die Goldelektroden werden auf einem Siliziumwafer unter Verwendung Abhebeverfahren hergestellt. Die Probe ist ein 18 mm x 18 mm Wafer mit periodischen Strukturen (Elektroden) mit 1 mm Periode <ol><li> Melden Sie sich in das Logbuch, bevor Sie das System verwenden. </li><li> Schalten Sie den Computer, LASER und Übersetzungsstufe Macht. </li><li> Legen Sie die MEMS-Elektrode / Mikromembranprobe. <ol><li> Platzieren Sie die MEMS Probe in der Mitte des Probenhalters ein pinzetten verwenden. </li><li> Stellen Sie den Probenhalter um die Elektroden in dem Strahlengang zu positionieren. Die maximale Messsichtfeld wird durch den Kamerasensor Größe definiert. Es ist ein Rechteck von 2,3 mm x 1,8 mm. </li></ol></li><li> Mit Hilfe der vertikalen Richtung motorisierte Bühne, bewegen Sie das System approximativ 1,5 cm entfernt von der Probe. </li></ol> 2. Software-Einstellungen Anpassung <ol><li> Öffnen Sie die 3DViewSoftware. 3DView ist unser hauseigenes Programm in C ++ entwickelt. </li><li> Klicken Sie auf Imaging Source-Taste, um die richtige Kamera für das Experiment ausgewählt. Wählen Sie die monochrome CCD-Kamera. Vermeiden Sie eine Farbkamera in diesem Setup, da eine monochromatische Diodenlaser verwendet wird. Zusätzlich wird für die gleiche Anzahl von Pixeln, würde Auflösung niedriger sein, wenn die Farbkameras. <ol><li> In der Registerkarte Geräteeinstellungen, wählen Sie Y800 (1.280 x 960) Video-Format und 15 Bildern pro Sekunde Videorate. </li></ol></li><li> Klicken Sie auf gelbe Play-Taste, um die Kamera zu starten. Ein Bild des Objekts mit aufgedruckten Streifenmuster (Hologram) sollte angezeigt werden. <ol><li> Passen Sie optimale Verstärkung und Belichtungsparameter Bildsättigung zu vermeiden, wenn nötig. </li></ol></li><li> Mit dem Live-Video-Fenster Kamera-Ansicht, passen Sie die Probenposition den genauen Bereich auszuwählen, auf die Probe zu untersuchen. </li><li> Öffnen Sie Einstellungen Registerkarte. <ol><li> In der Registerkarte Konfiguration wählen Sie die Art der Oberfläche (reflektierend oder transparent), Wellenlänge von laSer und Pixelgröße der Kamera. Der Laser ist ein Dioden-Laser bei 633 nm arbeitet. Die Pixelgröße der Kamera ist 4,650 nm. Die Probe ist eine spiegelnde MEMS Elektrodeneinrichtung so Reflexionsmodus ausgewählt werden sollte. Hinweis: Die CDHM Konfiguration erlaubt nur reflektierenden Oberflächen gemessen werden. Jedoch kann die Software auch zur Messung der transparenten Proben verwendet werden , wenn ein anderes der digitalen Holografie System 13 verwendet wird. Eine Änderung dieser Einstellung ändert sich die Höhe Berechnungsformel aus der Phase. Tatsächlich ist die optische Pfaddifferenz-Berechnungs leicht unterschiedlich für transparente Proben, wie es das Objekt Brechungsindex umfasst. </li><li> Wählen Sie den Rekonstruktionsalgorithmus Convolution und stellen Sie die Rekonstruktion Abstand auf Null. Wähle einen Rekonstruktionsschritt von 1 oder 2 ist. Hinweis: Der Parameterrekonstruktions Abstand kann später definiert werden, indem das Intensitätsbild von dem Hologramm erhalten Berücksichtigung und die Verwendung der Autofokus. Der Rekonstruktionsschritt definiert die Anzahl derverwendet Schritte, um die Fresnel Integral und simulieren die Strahlausbreitung zu implementieren. Die erste Methode bewerten das Integral einmal als eine einzige Fourier-Transformation. Ein Schritt 2 wird das Integral zweimal bewerten. Dies fügt mehr Flexibilität in der Gitterabstand ist jedoch rechentechnisch weniger effizient 20. </li><li> In der Nachbearbeitung Registerkarte, wählen Sie den auspackt Algorithmus notwendig, die endgültige abgewickeltes Bild zu erhalten. Wählen Sie Qualität abgebildet Algorithmus. Hinweis: In der Software, die Wahl zwischen Goldstein und Qualitäts Algorithmus Mapped vorgenommen werden kann. Die später hat sich das robuste und schnelle räumliche Phasenentkompaktierungstechniken gezeigt. Die Qualität abgebildet Algorithmus wird Abwickeln auf geführten Phase basiert , wie in 21 beschrieben. </li></ol></li></ol> 3. Datenerfassung <ol><li> Drücken Sie die Fourier-Symbol die Fourier-Transformation Spektrum-Fenster zu öffnen. Ein 0-ter Ordnung und zwei +1, -1 Aufträge sollte angezeigt werden. Ist dies nicht der Fall ist, prüfen Sie, dass die Probe in der richtigen Position ist, und stellen Sie gewinnen eind Belichtungszeit wieder. </li><li> Stoppen Sie die Live-Messmodus. Wählen Sie eine der Beugungsordnungen (positive oder negative Frequenz) durch den Filter-Tool. Der ausgewählte Bereich sollte groß genug sein, so daß alle Frequenzen für das Phasenwiedergewinnungs benötigt vorhanden sind. Schalten Sie den Live-Modus wieder. Hinweis: Die Wahl der negativen Ordnung wird nur das Vorzeichen der Phase im Endergebnis beeinflussen, dh die endgültige 3D - Bild invertiert werden. </li><li> Öffnen Sie das Phasenfenster. Überprüfen Sie, ob die ungeöffneten Modus nicht aktiviert ist. Grau Phase Bild des Objekts mit umwickelten Fransen eingeprägt erscheinen soll. </li><li> Nutzen Sie die motorisierte vertikale Bühne, die Anzahl der Streifen in dem Phasenbild zu reduzieren. Wenn nur 1 oder 2 Fransen auf dem Bild links sind, die motorisierte Bühne stoppen. Hinweis: Das System basiert auf der Interferometrie. So ist es zu Schwingungen empfindlich. die z-Richtung motorisierte Bühne Nach dem Umzug sollte der Benutzer 1 oder 2 Sekunden warten, bevor die Phase gewickelt Bild erscheint again. Es ist auch wichtig, Vibrationen während der Messung zu vermeiden, um eine stabile Phasenbild zu erhalten. </li><li> Klicken Sie auf die Auto-Fokus - 22 , um die beste Rekonstruktion Abstand zu finden. Man kann brauchen Autofokus die optimale Rekonstruktion Entfernung zu nähern, mehrmals zu verwenden, bis die Intensität Bild scharf und klar erscheint. Der Autofokus basiert auf einer effizienten und zeit effektive Winkelspektrum Verfahren wie in 22 beschrieben. Hinweis: Der Fokus Schieberegler können zur Feineinstellung verwendet werden. Klicken Sie dann auf Mitte Fokus-Taste, um die aktuelle Rekonstruktion Entfernung aufzuzeichnen. Es scheint manchmal, dass am besten Fokus nicht mit Autofokus-Option gefunden. In diesem Fall wird die manuelle Eingabe Rekonstruktion Entfernung finden Sie den besten Fokus. </li><li> Aktivieren Sie die ungeöffneten Modus, um die aufgewickelten Phasen Bild durch Klicken auf die Schaltfläche Abwickeln zu sehen. </li></ol> 4. Daten-Visualisierung und Analyse zur statischen Messung <ol><li> Öffnen Sie die 3D-Bildfenster, um den 3D zu sehenBild der Probe. Optionen Verwenden Sie das Endergebnis (Drehen, Farbkarte, Skalenanzeige ...) zu beobachten. </li><li> Klicken Sie auf die Kachel Fenster, um die Fenster als nicht überlappend zu gestalten und alle Messungen Fenster anzuzeigen. </li><li> Verwenden Sie die Linie Lineal eine Linie auf einem Gebiet von Interesse auf der ungeöffneten Phasenbild zu zeichnen. Im Liniendiagramm Fenster kann ein Querschnittsprofil Handlung des Bereichs von Interesse zu beobachten. Verwenden Sie die beiden Marker grüne Linie eine ungefähre Höhe des Objekts (Abbildung 5) zu extrahieren. Oberflächenrauhigkeit kann auch auf dem flachen oberen Teil der Probe erhalten werden. </li><li> Speichern Sie die letzte Phase Bild im JPEG-Format an andere Software zu importieren, wenn nötig. </li></ol> 5. Herstellung von Probe und Datenanalyse für dynamische Mess <ol><li> Legen Sie die Micro-Membran auf einer Heizstation Platte. Die Probe wird nicht von der Platte entfernt werden, bis das Experiment beendet. </li><li> Nehmen Sie ein Hologramm des micro Membran bei Umgebungstemperatur durch das Verfahren folgende oben in Abschnitt 2 und 3 beschrieben wird es für die Deformationsanalyse als Referenz verwendet werden. </li><li> Speichern Sie die Phasendaten auf dem Computer. </li><li> Schalten Sie die Laborheizplatte. </li><li> Unter Verwendung der Temperatur-Regler, variieren, um die Temperatur in Schritten von 50 ° C von 50 ° C bis 300 ° C. Für jeden Temperaturschritt, in JPEG- Format, um die Phasenkarte Bild speichern. </li><li> Ziehen Sie die anfängliche Umgebungstemperatur Phasenkarte von der anderen Phasenkarte aufgezeichnet, die Verformung Daten zu erhalten. Hinweis: Dieser Beitrag Verarbeitungsschritt kann mit einfachen MATLAB-Code realisiert werden. Die verschiedenen Phasen erhalten werden geladen in MATLAB und einfachen Matrix-Subtraktion durchgeführt wird. Dann Querschnittsdiagramme der unterschiedlichen Verformungsstufen erhalten werden. </li></ol>

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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.

In diesem Beitrag stellen wir ein Protokoll, um genau die quantitative Morphologie verschiedener MEMS-Geräte durch die Verwendung eines kompakten Systems sich auf der digitalen Holografie erholen. MEMS Charakterisierung in statischen und dynamischen Modus wird demonstriert. Quantitative 3D-Daten eines Mikrokanal MEMS erhalten. Um die Genauigkeit des Systems zu bestätigen, wurden Ergebnisse zwischen dem CDHM und dem AFM verglichen. Eine gute Übereinstimmung wird, was bedeutet, dass gefunden digitalen Holografie eine z...

Metrology von Mikro- und Nanoobjekten ist von großer Bedeutung für die Industrie und Forscher. Tatsächlich stellt die Miniaturisierung von Objekten eine neue Herausforderung für die optische Messtechnik. Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sind allgemein definiert elektromechanische Systeme miniaturisiert und in der Regel umfasst Komponenten wie Mikrosensoren, Mikroaktuatoren, Mikroelektronik und Mikrostrukturen. Es hat viele Anwendungen in vielfältigen Bereich wie Biotechnologie, Medizin, Kommunikation und Sensor 1 gefunden. Vor kurzem verfügt die zunehmende Komplexität sowie die fortschreitende Miniaturisierung der Testobjektaufruf für die Entwicklung geeigneter Charakterisierungstechniken für MEMS. Hoher Durchsatz Herstellung dieser komplexen Mikrosystemen erfordert die Einführung fortgeschrittener Inline - Messtechnik, zu charakteristischen Parameter zu quantifizieren und im Zusammenhang mit den Prozessbedingungen 2 verursachte Mängel. Beispielsweise wird die Abweichung der geometrischen parameter in einer MEMS-Einrichtung wirkt sich auf die Systemeigenschaften und hat gekennzeichnet. Darüber hinaus muss die Industrie hochauflösende Messleistung, wie volle drei Dimension (3D) Messtechnik, große Sichtfeld, hohe Bildauflösung und die Echtzeitanalyse. Daher ist es wichtig, eine zuverlässige Qualitätskontrolle und Inspektion zu gewährleisten. Außerdem erfordert es das Messsystem leicht implementierbare auf einer Produktionslinie zu sein und daher relativ kompakt auf bestehende Infrastrukturen installiert werden. Holographie, die von Gabor zuerst eingeführt wurde 3 ist eine Technik , die die Wiederherstellung der vollständigen quantitative Informationen eines Objekts ermöglicht durch die Interferenz zwischen einem Referenzaufnahme und einer Objektwelle in einem lichtempfindlichen Medium. Während dieses Prozesses als Aufzeichnungs bekannt ist, werden die Amplitude, Phase und Polarisation eines Feldes in dem Medium gespeichert. Dann kann das Objekt Wellenfeld durch Senden des Referenzstrahls auf die mich zurückgewonnen werdendium, ein Prozess als optische Lesen des Hologramms bekannt. Da nur ein herkömmlicher Detektor die Intensität der Welle erfasst hat Holographie ein Thema von großem Interesse in den letzten fünfzig Jahren, seit es den Zugriff auf zusätzliche Informationen über das elektrische Feld gibt. Jedoch mehrere Aspekte der konventionellen Holographie machen es für Industrie-Anwendungen unpraktikabel. Tatsächlich sind lichtempfindliche Materialien teuer, und der Aufzeichnungsprozess erfordert im allgemeinen einen hohen Grad an Stabilität. Die Fortschritte in der hochauflösenden Kamera-Sensoren wie ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCD) haben einen neuen Ansatz für die digitale Messtechnik eröffnet. Einer dieser Techniken wird als digitale Holografie 4 bekannt. In der digitalen Holografie (DH) wird das Hologramm auf einer Kamera (Aufzeichnungsmedium) aufgezeichnet und numerische Verfahren verwendet werden, um die Phasen- und Intensitätsinformation zu rekonstruieren. Wie bei konventionellen Holographie, kann das Ergebnis nach zwei Hauptverfahren erhalten werden: die Aufzeichnung und Rekonstruktion , wie in Fi gezeigtAbbildung 1. Wenn jedoch die Aufzeichnung ähnlich der herkömmlichen Holographie ist, ist die Rekonstruktion nur numerische 5. Die numerische Rekonstruktionsprozess ist in Abbildung 2 dargestellt. Zwei Verfahren sind in den Wiederaufbauprozess beteiligt. Zunächst wird das Objekt Wellenfeld von dem Hologramm abgerufen. Das Hologramm wird mit einer numerischen Referenzwelle multipliziert, um die Objektwellenfront an der Hologrammebene zu erhalten. Zweitens wird die komplexe Objektwellenfront an der Bildebene numerisch propagiert. In unserem System wird dieser Schritt unter Verwendung des Faltungsverfahren 6 durchgeführt. Das rekonstruierte Feld erhalten wird, ist eine komplexe Funktion und somit Phase und Intensität auf das interessierende Objekt quantitative Höhe Bereitstellung von Informationen extrahiert werden. Die Fähigkeit der gesamten Feldinformationsspeicherung in Holographie-Verfahren und die Verwendung von Computertechnologie für schnelle Datenverarbeitung bieten mehr Flexibilität bei der experimentellen Konfiguration und signifikant die spee erhöhend des experimentellen Verfahren, neue Möglichkeiten eröffnen zu entwickeln DH als dynamisches messtechnische Werkzeug für MEMS und Mikrosysteme 7,8. Die Nutzung der digitalen Holografie im Phasenkontrast - Bildgebung ist inzwischen gut etabliert und wurde zum ersten Mal mehr als zehn Jahren präsentierte vor 9. Tatsächlich Untersuchung mikroskopischer Geräte durch digitale Holografie und Mikroskopie kombiniert wurde in vielen Studien 10, 11, 12, 13. Mehrere Systeme auf Basis von hoher Kohärenz 14 und niedriger Kohärenz 15 Quellen sowie verschiedene Arten von Geometrie 13, 16, durchgeführt wurde 17 (in der Linie, von der Achse, gemeinsamen Weg ...) vorgestellt wurden. Zusätzlich in Linie digitalen Holografie hat 18 in Charakterisierung von MEMS - Vorrichtung vorher verwendet wurde, 19. Jedoch, diese Systeme im Allgemeinen schwierig zu implementieren sind und sperrig, so dass sie für industrielle Anwendungen ungeeignet. In dieser Studie schlagen wir eine kompakte, einfache und Objektiv frei System basierend auf off axis digitale Holographie für die Echtzeit-MEMS-Inspektion und Charakterisierung der Lage. Die kompakte Digital Holographic-Mikroskop (CDHM) ist eine Linse weniger digitale holografische System entwickelt und patentiert, die 3D-Morphologie der Mikrogröße spiegelnde Objekte zu erhalten. In unserem System 10 mW, sehr stabile, temperaturgesteuerten Diodenlaser bei 638 nm arbeitet, wird in eine Monomode-Faser gekoppelt. Wie in Figur 3 gezeigt, wird der divergierende Strahl von der Faser ausgehende aufgeteilt in einen Referenz- und einen Objektstrahl durch einen Strahlteiler. Der Referenzstrahlengang umfasst einen Umlenkspiegel den außeraxialen Geometrie zu verwirklichen. Der Objektstrahl wird gestreut und von der Probe reflektiert wird. Die beiden Strahlen interferieren auf dem CCD, das Hologramm zu geben. Das Interferenzmuster auf das Bild aufgeprägt wird ein räumlicher Träger genannt und erlaubt die Rückgewinnung der quantitative Phaseninformation mit nur einem Bild. Die numerische Rekonstruktion wird wie sta eine gemeinsame Fourier-Transformation und Faltungsalgorithmusted zuvor. Die Linse lose Konfiguration hat mehrere Vorteile, die es attraktiv machen. Da keine Linsen verwendet werden, ist der Eingangsstrahl eine divergierende Welle eine natürliche geometrische Vergrßerung Bereitstellung und somit die Systemauflösung zu verbessern. Darüber hinaus ist sie frei von Aberrationen in optischen Systemen typisch auftreten. Wie in 3B zu sehen ist, kann das System kompakt (55x75x125 mm 3) hergestellt werden, leicht (400 g) und somit problemlos in industriellen Fertigungslinien integrierbar sind.

<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.

Die oben beschriebenen Protokoll wurde entworfen, MEMS- und Micro Devices unter Verwendung CDHM System zu untersuchen und zu charakterisieren. In unserem System wird eine Monomode-Faser mit einem Diodenlaser gekoppelt mit einer 633 nm Wellenlänge arbeitet. Aufgrund der divergierenden Strahlkonfiguration ist es wichtig, den Objektstrahl und Referenzstrahlengang anzupassen, um ein Hologramm zu erhalten, die rekonstruiert werden können. Dies wird durch eine sorgfältige vertikale Position...

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

Wir präsentieren eine kompakte Reflexion digitale holografische System (CDHM) zur Inspektion und Charakterisierung von MEMS-Bauelementen. Ein linsenloses Design einen divergierenden Eingangswelle bietet natürliche geometrische Vergrößerung verwendet wird demonstriert. Sowohl statische als auch dynamische Studien vorgestellt.

Compact-Objektiv lose digitale holografische Mikroskop für MEMS-Inspektion und Charakterisierung

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

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Engineering

10.2K Aufrufe.  Nanyang Technological University.  Wir präsentieren eine kompakte Reflexion digitale holografische System (CDHM) zur Inspektion und Charakterisierung von MEMS-Bauelementen. Ein linsenloses Design einen divergierenden Eingangswelle bietet natürliche geometrische Vergrößerung verwendet wird demonstriert. Sowohl statische als auch dynamische Studien vorgestellt. 

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

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.

Ohne Linsen auskommt, Fluoreszenz-Mikroskopie auf einem Chip

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

Forschung

Biotechnik

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.

Lensfree On-Chip-tomographischen Mikroskopie beschäftigt Multi-Angle-Beleuchtung und Super-Pixel-Auflösung

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.

Demonstration eines Hyperlens integriert Mikroskop und 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 ...

Ingenieurwesen

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.

Spektrale und winkelaufgelöste magneto-optische Charakterisierung photoischer Nanostrukturen

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.

Ohne Linsen auskommt, On-Chip-Bildgebung von Zellen hat ein neues Instrument für High-Throughput-Zell-Biologie und der medizinischen Diagnostik

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

Biologie

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.

Aufdecken verborgener Dynamiken natürlicher photonischer Strukturen mit holographischer Bildgebung

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. ...

Chemie

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.

Quantifizierung von Mikroorganismen in geringen Konzentrationen mit Hilfe digitalen holographischen Mikroskopie (DHM)

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.

Digitale Inline Holographic Microscopy (Dihm) von Schwach-Streuung Themen

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.

Auswertung und Manipulation neuronaler Aktivität mittels holographischer Zwei-Photonen-Mikroskopie

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

Neurowissenschaften

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.

Objektiv-kostenlose Videomikroskopie für die Dynamik und Quantitative Analyse der adhärente Zellkultur

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