基于光电采样的线扫描ToF相机，实现微纳器件的高速多维成像
2023-02-18 22:21:01   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

高速和高分辨率的表面轮廓成像对于微纳器件的各种结构和机械动力学研究至关重要。特别是，近期出现的各种非线性、瞬态和复杂的机械动力学（例如机械谐振器中的非谐振动），需要具有更高轴向和横向分辨率、速度和动态范围的实时表面变形成像技术。然而，快速和复杂的机械动力学的实时捕捉一直是一个挑战，并且位移和机械运动的直接时域成像一直是全场结构和动力学行为研究中的关键性问题。

据麦姆斯咨询报道，近日，韩国科学技术院（KAIST）和标准与科学研究院（KRISS）的研究人员组成的团队在Light: Science & Applications期刊上发表了题为“Massively parallel electro-optic sampling of space-encoded optical pulses for ultrafast multi-dimensional imaging”的论文，通过利用频率梳进行光电采样，提出了一种具有高动态范围的线扫描飞行时间（ToF）相机技术，可实现超高像素速率、大规模并行亚纳米精度ToF检测。本文提出的线扫描ToF相机有望成为研究微纳机械器件中各种振动和动态行为的重要成像工具。

图1 基于光电采样的线扫描ToF相机的工作原理

光学成像和计量学在现代科学技术中至关重要，其应用范围从片上振动模式测量到活体生物医学成像，再到自动驾驶汽车的激光雷达（LiDAR）。特别是，微纳器件的表面轮廓的快速精确成像对于此类器件的静态和动态特性研究变得越来越重要。

在静态特性方面，随着微机电系统（MEMS）器件和基于微凸点和硅通孔（TSV）的垂直互连的三维堆叠集成电路（3D IC）的进步，在更大的晶圆上进行更高的动态范围和更高的吞吐量的维度计量，在半导体工业中变得越来越重要。到目前为止，基于干涉测量法和共聚焦显微镜的表面计量学已经被研究人员所使用，然而，上述方法在测量范围（通常小于几μm）和速度（通常需要数百秒才能成像1024 × 1024像素的视场）方面都存在局限性。

在动态特性方面，精确表征微纳机械器件中的振动和动态行为对于理解物理机制和推进其应用至关重要。特别是，近期各种非线性、瞬态和复杂的机械动力学的出现，如微纳机械谐振器中的非谐振动、脉冲光力学、声子频率梳、超声传感器和光机械孤子等，都需要具有更高的轴向和横向分辨率、速度和动态范围的实时表面变形成像技术。

相干干涉仪和白光干涉仪由于其纳米级轴向分辨率和高可靠性而被广泛使用，然而，它们受限于亚微米级的模糊范围和缓慢（几赫兹）的视频速率，并且无法对速度快于~m/s的运动成像。虽然带宽超过GHz的激光多普勒测振仪（LDV）可用于测量高速振动，但它们只能提供单个空间点的离面振动特性。

因此，微纳器件中的振动和机械运动主要通过多种方法的组合或以频闪方式来表征，而对非线性或瞬态动力学的实时多维观测仍然具有特别的挑战性。因此，快速机械运动的直接时间分辨表面成像一直是微纳器件和微纳机械谐振器的全场动态行为研究中的关键性问题。

在本论文中，通过利用频率梳进行光电采样，研究人员提出了一种新型具有高动态范围的可捕捉微纳器件静态和动态特性的线扫描飞行时间（ToF）相机技术。提出的方法可以在几毫米的视场（FoV）内同时检测>1000个空间坐标的ToF变化，并具有独特的像素速率（高达260百万像素/秒）、轴向分辨率（低至330  pm）和动态范围【即20 log（可测量范围/可实现精度）】高达126  dB的性能组合。这种前所未有的性能组合不仅能够在不需要太多先验知识的情况下对复杂结构进行快速和精确的成像，而且能够实时观察微纳器件和微纳机械谐振器中的快速和非重复机械运动。

提出的线扫描ToF相机的工作原理如图1所示。利用锁模Er光纤光学频率梳的宽光谱进行空间到波长编码，以实现在几毫米范围内具有几微米横向分辨率的线扫描照明。光学频率梳的光谱（本研究中为1537–1577  nm）通过衍射光栅进行空间色散，以将一维空间坐标编码为波长。入射到衍射光栅上的光束尺寸被扩大，直到其光谱分辨率达到~0.038  nm，在频率梳的~40 nm带宽范围内产生了~1000个可分辨的子脉冲，对应于所使用的线扫描相机的像素数（本研究中为1024像素）。

图2a显示了根据重叠Allan偏差测量的线扫描ToF相机的轴向精度性能。当使用焦距（f）为30 mm的透镜时，测量到子脉冲的光束尺寸（1/e²）为~9.5 μm，相机的总水平FoV达到>4.4 mm（如图2c所示）。分辨率测试标板（1951 USAF）被用于评估相机的横向（空间）分辨率。当沿Y方向横向扫描标板时，测量的归一化返回功率谱的二维图像如图2d所示。由于第6组中图元6的图案以~23%的对比度被分辨，因此该相机的空间分辨率确定为~114 lp/mm（4.38 μm）。需要注意的是，相机的横向分辨率和水平FoV可以随有效焦距缩放。无惯性扫描和高动态范围的性能使线扫描ToF相机能够以>400 m/s的速度捕捉超快机械运动，实时动态成像结果如图3所示。

图2 线扫描ToF方法的轴向和横向分辨率分析

图3 动态成像结果

综上所述，通过将空间到波长编码、基于光电采样的定时检测和高速线扫描相机相结合，研究团队提出了一种新型ToF相机，该相机在几毫米FoV上具有几微米横向分辨率，可实现超高像素速率、大规模并行亚纳米精度ToF检测。

提出的线扫描ToF相机可以对静态表面轮廓进行高精度成像，并实时捕捉微纳机械谐振器中快速和大范围的表面变形。因此，该线扫描ToF相机有望成为研究微纳机械器件中的各种振动和动态行为的重要成像工具，包括非线性、瞬态和复杂的机械动力学，这些都是以前的方法难以测量的。

由于目前的采集速率和精度受到光谱分析相机速度的限制，因此使用具有更高线性度的快速光电二极管阵列可以进一步提高其性能。此外，在不久的将来，通过使用光纤束的2D阵列、虚拟成像相控阵（VIPA）和光栅或MEMS反射镜系统的组合，以在样本上生成光谱编码的2D照明，本文提出的线扫描ToF相机有望扩展到全3D动态成像。

这项研究获得了韩国国家研究基金会（2021R1A2B5B03001407、2021R1A5A1032937、2021R1A4A1031660、2020R1A2C3004885）的支持。

论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-023-01077-7

延伸阅读：

《新兴图像传感器技术及市场-2023版》

《光谱成像市场和趋势-2022版》

《飞行时间（ToF）传感器技术及应用-2020版》