Метод цифровой голографической микроскопии

Пакет фильтров обычно состоит из волокнистых  материалов с разным гидродинамическим  сопротивлением. Каждый из фильтров это  каскад, на котором осаждаются аэрозольные  частицы определенного размерного диапазона. Частицы более большого диаметра (более 2 мкм) осаждаются преимущественно на первом каскаде пакета. Это может привести к большой неопределенности при оценке дисперсного состава методом многослойных фильтров для грубодисперсных аэрозолей (размер частиц более 1 мкм). Для того что бы снизить уровень неопределенности необходимо более равномерное распределение частиц по всем каскадам. У каскадов импактора, используемых для анализа дисперсности частиц в диапазоне от долей до 1 мкм, суммарное гидродинамическое сопротивление пакета фильтров существенно ниже в условиях высокоскоростной фильтрации.[28]

4. БЕСКОНТАКТНЫЙ КОНТРОЛЬ ТОПОЛОГИИ  И ШЕРОХОВАТОСТИ  ПОВЕРХНОСТИ С  ТОЧНОСТЬЮ ДО НЕСКОЛЬКИХ НАНОМЕТРОВ (В СИСТЕМАХ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА).

4.1 Интегральный способ измерения микросмещений и деформаций диффузно отражающих элементов MEMS-структур.

Способ основан на методах голографической интерферометрии, являющейся универсальным способом регистрации изменений, происходящих как с прозрачными, так и с отражательными объектами. 

Принцип действия:

Интерферометрически сравниваются два световых поля, рассеянных объектом в разное время – до и после его изменения. По крайней  мере, одно из этих полей должно быть восстановлено топографическим  способом.

Специальные тестовые объекты необходимо использовать для измерения упругих констант MEMS-материалов, они изготавливаются из тех же материалов по технологии, принятой при производстве изделий, в которых эти материалы применяют.

Использующиеся  для измерения модуля Юнга материала, тестовые объекты, представляют собой микромеханические структуры простой формы – консольные балки и прямоугольные мембраны, имеющие размеры от десятых долей до единиц миллиметров. При помощи методов голографической интерферометрии можно с точностью до долей микрометра зарегистрировать значение их непосредственного прогиба под действием известной нагрузки – электростатического притяжения, вызванного подачей постоянной разности потенциалов U между проводящим нижним слоем балки или мембраны и расположенным под ней отклоняющим электродом, с точностью до десятых долей микрометра.[29]

Схема для проведения измерений, состоит из гелий-неонового лазера, свет от которого делится на предметный и опорный пучки посредством делителя, зеркал  и расширительных систем. Предметный пучок рассеивается тестовым объектом и, пройдя через микрообъектив, попадает на фотопластинку, на которую также посредством зеркала  подается опорный пучок. В результате получаем интерференционную картину. На описанной схеме могут быть реализованы как метод двойной экспозиции, так и метод реального времени, однако в случае последнего требуется обработка фотоматериала "на месте экспонирования". 

Достоинства предлагаемого в настоящей работе метода заключаются в его сравнительной простоте и многофункциональности. Также необходимо отметить, что использование голографических методик позволяет применить интерферометрию к объектам с оптически грубой поверхностью, а также снизить требования к качеству оптики по сравнению с классической интерферометрией. [30] 

4.2 Лазерная интерферометрия.

Метод обеспечивает бесконтактность и  дистанционность, за счет того что используется лазерное излучение позволяющее  избежать внесения искажений в исследуемую  среду.  Лазерные методы могут использоваться для диагностики нестационарных быстропротекающих процессов в оптически прозрачных средах. [30] 

Принцип действия:

В основе принципа действия лежит теория рассеяния  Ми для объектов с малыми диаметрами, интерференция отраженных и преломленных лучей, прошедших через исследуемый  сферический объект для больших диаметров и определение по полученной интерференционной картине размера объекта. Достаточно часто возникает необходимость в исследовании объектов, диаметр которых значительно превышает длину волны излучения. В этом случае возникает необходимость применять приближение геометрической оптики вместо теории рассеяния Ми. [31]

4.3 Лазерная доплеровская виброметрия.

Самостоятельная часть лазерной интерферометрии, которая представляет собой метрологическую основу современного производства в области высоких технологий, в том числе и нанотехнологии.

Путем лазерной доплеровской виброметрии определяется резонансная частота структур, которая непосредственно зависит от модуля упругости. Отличительная особенность сигналов лазерной доплеровской виброметрии  это характер движения исследуемого объекта, приводящий к сложной структуре информационного сигнала и, следовательно, к комплексным системам его обработки. [32] 

Принцип действия:

При помощи лазерного доплеровского виброметра в настоящее время с хорошей пространственно-временной локализацией проводится измерение скоростей поступательного либо колебательного движения частиц. Он представляет собой сложную измерительную систему, которая состоит из лазера, оптикомеханического блока, фотоприемника, электронного процессора обработки сигналов и программного обеспечения. Особое внимание уделяется компьютерным методам определения параметров колеблющихся объектов с помощью цифровой обработки доплеровских сигналов, получающихся на выходе оптической схемы лазерного доплеровского виброметра. Доплеровские сигналы, содержащие измерительную информацию и поступающие с выхода оптического датчика, вводятся в компьютер, где обрабатываются с использованием специализированных цифровых алгоритмов. [33]

Лазерная доплеровская виброметрия позволяет определить основные параметры как линейного, так и вращательного движения.

4.4 Атомно-силовая микроскопия.

Мощный  инструмент изучения поверхностей исследуемых  объектов.

Благодаря высокому пространственному разрешению является основным инструментом для  изучения рельефа поверхности в  нанометровом масштабе. 

Принцип действия:

В основе принципа действия лежит использование сил атомных связей, действующих между атомами вещества. Когда расстояния между двумя атомами малы, то действуют силы отталкивания, в обратном случае – силы притяжения. Точно так же силы действуют и между любыми сближающимися телами. При сканирующей атомно-силовой микроскопии такими телами служат исследуемая поверхность и скользящее над нею острие. Обычно используется алмазная игла, которая плавно скользит над образцом, сканируя его поверхность. При изменении силы, действующей между поверхностью и острием, пружинка, на которой оно закреплено, отклоняется, и такое отклонение регистрируется датчиком. В качестве датчика могут использоваться любые особо точные и чувствительные измерители перемещений, например оптические, емкостные или туннельные датчики. Величина отклонения пружинки несет информацию о высоте рельефа – топографии поверхности и об особенностях межатомных взаимодействий. Атомно-силовая микроскопия может использоваться для определения микрорельефа поверхности любых веществ, как проводящих, так и непроводящих. Возможно наблюдение всевозможных несовершенств структуры, локализованных на изучаемых поверхностях, а также разнообразные примеси. Кроме того, атомно-силовая микроскопия позволяет выявить границы различных блоков в кристалле, в частности доменов. [33] 

Несовершенство  данного метода заключается в  том при исследовании наноструктурированных  поверхностей возникает ряд методологических проблем,  связанных с крайне низкой развитостью их рельефа и необходимостью учета малых аппаратных искажений  метода. Требуется развитие методов описания статистических свойств нанорельефа, так как наиболее распространенные параметры шероховатости сверхгладких поверхностей не используют в полной мере данные атомно-силовой микроскопии.  При изучении диэлектрических материалов актуальной задачей является изучение влияние статического заряда поверхности на получаемые изображения.  Не существует однозначно определенного подхода к исследованию методом атомно-силовой микроскопии корреляции рельефов подложки и пленочного покрытия. [34]

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе работы была собрана информация по различным методам исследования, в трех областях применения цифровой голографической микроскопии.  Было произведено сравнение этих методов  отдельно для  каждой области. В ходе сравнения принципов действия, преимуществ и недостатков методов, мной был сделан вывод о преимуществе метода   цифровой голографической микроскопии над другими известными методами в различных областях применения. 
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ: 

1. Лехциер Е.Н., Семенов Э.Г.  Голографическая микроскопия

URL: http://bsfp.media-security.ru/school6/25.htm (дата обращения 20.07.2011)

2. Екимов Д.А. Цифровая голографическая микроскопия.

 URL: http://dims.karelia.ru/dihm/section.php?id=3 (дата обращения 20.07.2011)

3. Феофанов A.B. Спектральная лазерная сканирующая конфокальная микроскопия в, биологических исследованиях. Усп. биол. хим., 47, 2007 .-C 371-410.
4. Minsky M. Memoir on inventing the confocal scanning microscope / Scanning. - - Том.10. 1988. - С.128-138.
5. Штейн Г. И. Конфокальная микроскопия: мифы и реальность. – Школа-семинар «Конфокальная микроскопия в биологии и медицине», –М. -2005.
6. Штейн Г.И. Руководство по конфокальной микроскопии. СПб: Изд-во СПбГПУ, 2007. -C.77.
7. Гистология, цитология и эмбриология

URL: http://www.morphology.dp.ua/_mp3

8. Ультрафиолетовая микроскопия URL: http://micro.ledstaff.ru/0pt-02.htm
9. Ультрафиолетовая микроскопия URL: http://delta-grup.ru/bibliot/36/47.htm
10. Фазово-контрастная микроскопия URL: http://ea.ssmu.ru/cgi-bin/cgiwrap/ea/index.php?id=78
11. С.В. Фазово-контрастная микроскопия URL: http://www.rkm.kz/node/726
12. Фазово-контрастная микроскопия URL: http://www.nsau.edu.ru/images/vetfac/images/ebooks/microbiology/stu/bacter/f_microscop.htm
13. Захарьевский А.Н., Кузнецова А.Ф. Интерференционные биологические микроскопы // Цитология. - Т.3.- №2., 1961. - С.213-224.
14. В.В Чёрная, В.Н. Боровицкий. Сравнительный анализ современных голографических и интерференционных микроскопов. УДК 612.84: 778.38 -2010.
15. Интерференционные измерения.

URL: http://tomoscan.ru/article.php?ind=9

16. Мирошников М.М. Академик Владимир Павлович Линник – основоположник современной оптотехники (к 120-летию со дня рождения) // Оптический журнал, Т.77, №6. 2010. - С.66-77.
17. F. Helmchen, W. Denk. Deep-tissue two-photon microscopy, Nature Methods, 2, (12), 932-940 2005.
18. Denk W., Strickler J.H., Webb W.W. Two-photon laser scanning fluorescence microscopy//Science. №248.,1990. -C.73–76.
19. Фукс Н. А.  Механика аэрозолей.  - М., 1955. - С. 351.
20. Киселев Н. А. Электронная микроскопия биологических макромолекул. - М., 1965.
21. Хокс П. Электронная оптика и электронная микроскопия/ Пер. с англ. под ред. Стояновой И.Г.- М.: Мир, 1974.
22. Р. Хейденрайх Основы просвечивающей электронной микроскопии, М., Мир, 1966. -C.472.
23. Лазерная дифракция – основы метода. URL: http://www.74rif.ru/laser-malv.html
24. Аксенов Е.Т., Мокрова Д.В. Модифицированный лазерный дифрактометр для исследования биологических микрообъектов // Письма в ЖТФ, том 34, вып. 20., 2008. – С.38-43.
25. Статическое рассеяние лазерного света. URL: http://www.retsch-technology.ru/ru/rt/applications/technical-basics/static-laser-light-scattering/
26. Диффузионный спектрометр аэрозолей

URL: http://www.kinetics.nsc.ru/results/paper44.html 

27. Припачкин Д.А. Влияние физико-химических характеристик аэрозолей на особенности их осаждения из гидродинамических потоков на препятствиях при определении дисперсного состава. дис. канд. физ. мат. наук.,-М., 2010.
28. Припачкин Д.А., Будыка A.K., Цовьянов А.Г. Расчетно-экспериментальный подход к созданию средств отбора аэрозолей для оценки дисперсного состава// Научная сессия НИЯУ МИФИ-2010. Аннотации докладов, Том. 1, -C.82.
29. Балан Н.Н., Родин В.Г., Стариков С.Н.  Измерение микросмещений MEMS-структур методом голографической интерферометрии – М.: ВВЦ, 2004. – С. 73-74.
30. Балан Н.Н. Голографическая микрометрия подвижных элементов МЭМС-структур. //Микросистемная техника, №12, 2003.
31. Денисов Д.Г., Карасик В.Е., Орлов В.М. Измерение параметров микронеровностей крупногабаритных шлифованных поверхностей оптических деталей при помощи лазерной интерферометрии // Метрология. 2009. №3. С. 15 — 24.
32. Дубнищев Ю.Н., Ринкевичюс Б.С. Методы лазерной доплеровской интерферометрии. М.: Наука. 1982. – C 303.
33. Гречихин В.А., Ринкевичюс Б.С. Цифровые методы обработки сигналов в лазерной анемометрии и виброметрии // Автометрия. 2000. -№1.- С. 51-57.
34. Занавескин М.Л.  Дис. Атомно-силовая микроскопия в исследовании шероховатости наноструктурированных поверхностей. Канд. ... физ.-мат. наук. М., ИК РАН, 2008.
35. Атомный силовой микроскоп, Наука и жизнь, 2002.