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.

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><li> Posizionare il campione MEMS nel mezzo del supporto del campione utilizzando una pinzetta. </li><li> Regolare il portacampioni per posizionare gli elettrodi nel percorso ottico. Il massimo campo di vista di misurazione è definito dalla dimensione del sensore della fotocamera. È un rettangolo di 2,3 mm x 1,8 millimetri. </li></ol></li><li> Utilizzando la direzione motorizzata palcoscenico verticale, spostare il sistema approssimativamente a 1,5 cm di distanza dal campione. </li></ol> 2. Regolazione delle impostazioni del software <ol><li> Aprire la Vista 3DSoftware. Vista 3D è il nostro programma di in-house sviluppato in C ++. </li><li> Fare clic sul pulsante Imaging Source per selezionare la telecamera appropriata per l&#39;esperimento. Scegliere la telecamera CCD in bianco e nero. Evitare una telecamera a colori in questa configurazione da un diodo laser monocromatica viene utilizzato. Inoltre, per lo stesso numero di pixel, risoluzione sarebbe inferiore quando si utilizza telecamere a colori. <ol><li> Nella scheda impostazioni del dispositivo, selezionare Y800 (1.280 x 960) formato video e 15 fotogrammi al secondo tasso di video. </li></ol></li><li> Fare clic sul pulsante di riproduzione gialla per avviare la fotocamera. L&#39;immagine dell&#39;oggetto con i modelli impressi frangia (ologramma) dovrebbe essere visualizzato. <ol><li> Regolare i parametri di guadagno e di esposizione ottimali per evitare la saturazione dell&#39;immagine, se necessario. </li></ol></li><li> Utilizzando la finestra video live view della fotocamera, regolare la posizione del campione per selezionare l&#39;area esatta di indagare sul campione. </li><li> Aprire la scheda Impostazioni. <ol><li> Nella scheda di configurazione, selezionare il tipo di superficie (riflettente o trasparente), la lunghezza d&#39;onda di laser, e pixel dimensioni della fotocamera. Il laser è un laser a diodo operante a 633 nm. La dimensione dei pixel della fotocamera è 4.650 nm. Il campione è un dispositivo speculare MEMS elettrodo in modo modalità riflettente deve essere selezionata. Nota: La configurazione CDHM consente solo superfici riflettenti da misurare. Tuttavia, il software può essere utilizzato anche per misurare campioni trasparenti quando un diverso sistema olografia digitale viene utilizzata 13. Una modifica di questa impostazione cambia la formula di calcolo altezza dalla fase. Infatti, il calcolo della differenza di cammino ottico è leggermente diverso per campioni trasparenti quanto include l&#39;indice di rifrazione dell&#39;oggetto. </li><li> Scegliere l&#39;algoritmo di ricostruzione Convolution e impostare la distanza di ricostruzione a zero. Scegliere un passo ricostruzione di 1 o 2. Nota: Il parametro di distanza ricostruzione può essere definito successivamente, considerando l&#39;immagine di intensità ottenuta dal ologramma e usando l&#39;autofocus. La fase di ricostruzione definisce il numero dipassi per implementare il Fresnel integrale e simulare la propagazione del fascio. Il primo metodo valutare l&#39;integrale volta come singolo Fourier Transform. Un passo di 2 valuterà l&#39;integrale due volte. Questo aggiunge più flessibilità nella spaziatura ma è computazionalmente meno efficiente 20. </li><li> Nella scheda post-elaborazione, selezionare l&#39;algoritmo scartare necessaria per ottenere l&#39;immagine da scartare finale. Selezionare la qualità mappato algoritmo. Nota: Nel software, la scelta tra Goldstein e Qualità mappata algoritmo può essere fatto. Più tardi ha dimostrato fase spaziale robusto e rapido scartare. L&#39;algoritmo qualità mappata si riferiscono al fase guidato unwrapping come descritto in 21. </li></ol></li></ol> 3. Acquisizione Dati <ol><li> Premere la trasformata di Fourier sull&#39;icona per aprire la finestra di spettro di Fourier. Uno 0 ordine e due +1, -1 ordini dovrebbero apparire. Se questo non è il caso, verificare che il campione sia nella giusta posizione, e regolare acquisire unad tempo di esposizione di nuovo. </li><li> Arrestare la modalità di misurazione diretta. Selezionare uno degli ordini diffratti (frequenza positiva o negativa) utilizzando lo strumento filtro. L&#39;area selezionata deve essere sufficientemente grande in modo che tutte le frequenze necessarie per il reperimento fase sono presenti. Accendere di nuovo sulla modalità live. Nota: La scelta dell&#39;ordine negativo riguarda soltanto il segno della fase nel risultato finale, cioè, l&#39;immagine 3D finale sarà invertita. </li><li> Aprire la finestra di fase. Verificare che la modalità scartare non è abilitata. immagine di fase grigio dell&#39;oggetto impresso con frange avvolti dovrebbe apparire. </li><li> Utilizzare la fase verticale motorizzato per ridurre il numero di frange dell&#39;immagine fase. Quando solo 1 o 2 frange sono lasciati sull&#39;immagine, fermare il palco motorizzato. Nota: Il sistema è basato su interferometria. Così è sensibile alle vibrazioni. Dopo aver spostato la fase direzione z motorizzato, l&#39;utente deve attendere 1 o 2 secondi prima che l&#39;immagine di fase avvolto appare again. E &#39;anche importante evitare vibrazioni durante la misurazione per ottenere un&#39;immagine fase stabile. </li><li> Fare clic sul pulsante auto-focus 22 per trovare la migliore distanza di ricostruzione. Uno può essere necessario utilizzare l&#39;autofocus più volte di avvicinarsi alla distanza ottimale di ricostruzione fino a quando l&#39;immagine di intensità appare nitida e chiara. L&#39;autofocus si basa su un metodo spettro angolare efficiente ed ora come descritto in 22. Nota: la barra di scorrimento messa a fuoco può essere utilizzato per la regolazione fine. Quindi, cliccare sul pulsante di messa a fuoco centrale per registrare la distanza di ricostruzione in corso. Sembra a volte che migliore messa a fuoco non si trova l&#39;opzione messa a fuoco automatica con. In questo caso, inserire manualmente la distanza ricostruzione di trovare la migliore messa a fuoco. </li><li> Attivare la modalità di scartare per vedere l&#39;immagine fase di scartare cliccando sul pulsante Scartare. </li></ol> 4. visualizzazione dei dati e analisi per misurazione statica <ol><li> Aprire la finestra dell&#39;immagine 3D per vedere il 3D finaleimmagine del campione. Utilizzare le opzioni disponibili per osservare il risultato finale (ruotare, mappa a colori, display della bilancia ...). </li><li> Fare clic sul pulsante di Windows piastrelle per disporre le finestre come non sovrapposizione e visualizzare tutte le finestre di misurazione. </li><li> Utilizzare il righello linea per tracciare una linea su un&#39;area di interesse dell&#39;immagine fase di scartare su. Nella finestra grafica linea, una croce grafico di profilo in sezione della zona di interesse può essere osservato. Utilizzare i due marcatori di linee verdi per estrarre un&#39;altezza approssimativa dell&#39;oggetto (Figura 5). La rugosità superficiale può essere ottenuta sulla parte piana superiore del campione. </li><li> Salvare l&#39;immagine finale di fase in formato .jpeg per importarlo ad altri software, se necessario. </li></ol> 5. Preparazione del campione e analisi dei dati per misurazione dinamica <ol><li> Posizionare il micro membrana su una piastra centrale termica. Il campione non verrà rimosso dalla piastra fino alla fine dell&#39;esperimento. </li><li> Registrare un ologramma del MICRo diaframma a temperatura ambiente, seguendo la procedura sopra descritta nella sezione 2 e 3. Esso verrà utilizzato come riferimento per l&#39;analisi di deformazione. </li><li> Salvare i dati di fase sul computer. </li><li> Accendere la piastra di riscaldamento di laboratorio. </li><li> Utilizzando la manopola della temperatura, variare la temperatura in passi di 50 ° C da 50 ° C a 300 ° C. Per ogni passo della temperatura, salvare l&#39;immagine della mappa di fase in formato .jpeg. </li><li> Sottrarre la mappa di fase temperatura ambiente iniziale dal altra mappa di fase registrato per ottenere i dati di deformazione. Nota: questo passaggio di post-elaborazione può essere realizzato con semplice codice MATLAB. Le diverse fasi ottenuti vengono caricati in MATLAB e viene eseguita semplice sottrazione matrice. Poi trame delle sezioni trasversali delle diverse fasi di deformazione possono essere ottenuti. </li></ol>

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	<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>

The authors have nothing to disclose.

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><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.

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 ...

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

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Engineering

10.2K Views.  Nanyang Technological University.  Vi presentiamo una riflessione compatto sistema olografico digitale (CDHM) per l'ispezione e la caratterizzazione di dispositivi MEMS. Lo dimostra una lente-less con un'onda d'ingresso divergente fornendo naturale ingrandimento geometrico. Entrambi gli studi statici e dinamici sono presentati. 

Video: 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.

Senza lenti microscopia a fluorescenza su un chip

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

Ricerca

Bioingegneria

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 Tomographic Microscopia Utilizzando Multi-angolo di illuminazione e Pixel Super-risoluzione

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.

Dimostrazione di un microscopio Hyperlens-integrato e 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 ...

Ingegneria

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.

Caratterizzazione magneto-ottica spectrale e sistemata con angolo di nanostrutture fotoniche

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.

Senza lenti on-chip Imaging di celle fornisce un nuovo strumento per High-throughput Cell-Biologia e diagnostica medica

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

Biologia

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.

Scoprire le dinamiche nascoste delle strutture fotoniche naturali utilizzando l'imaging olografico

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. ...

Chimica

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.

Quantificare i microrganismi alle concentrazioni basse usando microscopia digitale oleografica (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.

Digital Inline Holographic Microscopy (DIHM) dei soggetti debolmente di scattering

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.

Valutazione e manipolazione dell'attività neurale mediante microscopia olografica a due fotoni

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

Neuroscienze

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.

Lente-free Video microscopia per la dinamica e analisi quantitativa della coltura delle cellule aderenti

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