Métodos instrumentais de reconstrução 3D em microscopia

Abstract

Neste trabalho foi construído um protótipo laboratorial de um microscópio óptico de varrimento numa mesa óptica, com a finalidade de aproveitar as características dos sensores de imagem, do tipo matriz linear, para o desenvolvimento de um sistema com a capacidade de recolher imagens com informação tridimensional (3D). A construção deste protótipo envolveu a definição do circuito óptico e a selecção dos seus componentes e o desenvolvimento de um módulo autónomo de leitura do sensor linear bem como de aplicações MATLAB que permitem configurar os varrimentos da plataforma do objecto, controlar o sensor e adquirir os seus dados e visualizar e processar a imagem. É feita uma descrição deste protótipo, discutindo-se as opções realizadas no que se refere à configuração do circuito óptico e à arquitectura global do microscópio e do módulo de leitura do sensor. Foram realizados testes com diferentes fontes de luz e modos de iluminação. São apresentados os resultados da avaliação da qualidade da imagem nomeadamente no que respeita à avaliação de contraste, resolução lateral, para a qual foi implementado um novo método para a determinação da função de espalhamento pontual (PSF), e principalmente a sua resposta axial. Com o modo de iluminação em linha, através da MTF, obteve-se um valor da razão de Strehl de 0,86, e determinaram-se os valores da resolução lateral e axial de aproximadamente 350 nm e 8 μm, respectivamente. O protótipo foi usado em aplicações na área da microscopia mais tradicional, como o da inspecção de circuitos integrados (IC), em que foi desenvolvida uma aplicação MATLAB para construir e visualizar as imagens bidimensionais (2D), após a aquisição de cada conjunto de dados lineares do sensor, e testar algoritmos de reconstrução 3D. São apresentadas imagens da ligação do fio metálico à pad de um IC (wire bonding) com informação 3D. As técnicas de microscopia 3D têm aplicações no campo da metrologia, nomeadamente perfilometria. O protótipo foi testado neste tipo de aplicações, com o intuito de avaliar a sua capacidade para obter medidas como a espessura ou altura, largura e inclinação de estruturas 3D, através da aplicação de diversos métodos de reconstrução e visualização 3D. Os resultados foram consistentes, em especial na determinação de perfis de uma estrutura 3D existente num componente micromaquinado, em que se obtiveram valores de altura e inclinação muito próximos dos indicados nas especificações do componente.

A laboratorial prototype of a scanning optical microscope (SOM) using a linear image sensor was built on an optical table. The aim was to develop a system with the ability to collect three-dimensional (3D) images taking advantage of the characteristics of linear sensors. In order to compose this prototype a set of equally important tasks was carried namely the definition of the optical circuit and selection of its components, the development of a stand-alone sensor readout module and MATLAB applications to perform the scanning of object stage, to control the sensor and its data acquisition and to display and process the images. A description of the prototype is presented in this thesis that includes a discussion of the choices made during this work namely relative to optical circuit arrangement and global microscope as well as sensor readout module architecture. In the course of the work tests using different light sources and illumination modes were performed. The main results of image quality assessment are presented, namely those concerning image contrast, lateral resolution, in which a new method for the determination of point spread function (PSF) was developed, and system axial response. It was achieved a Strehl ratio equal to 0.86 for line illumination configuration, derived from MTF, and experimental values for lateral and axial resolution of approximately 350 nm and 8 μm, respectively. The application of the system in usual microscopy field as integrated circuit inspection was made. A MATLAB application was developed in order to build and display twodimensional (2D) images after the acquisition of each data set from linear sensor and also to test 3D reconstruction algorithms. Wire bonding images showing 3D information are presented. Applications of 3D microscopy techniques in metrology, namely in profilometry, are usual, so this prototype was tested in this type of applications aiming at testing its ability to get thickness or height, width and slope measurements in 3D structures. Some 3D reconstruction and visualization methods as topographic maps or 3D profiles were used in different structures. The results were solid particularly from the profiles of one 3D structure in a micromachined component, from which the height and slope experimental values were very close to product specifications.