Novas tendências em Metrologia Óptica: micro e nanometrologia de volume com ferramenta computacional de visualização científica em 3D/4D | Analytica 92

Por Igor Malinovski¹ e Iakyra B Couceiro²

A metrologia óptica em micro e nanoescala está atraindo muita atenção devido à necessidade de controle dimensional na produção de nanotecnologia e para interesses em ciências da vida [1]. Instrumentos ópticos possuem vantagens importantes como: operação sem contato, aquisição de dados rápida e rastreabilidade direta para padrões primários tipo laser estabilizado [2-4]. Recentemente, houve avanços significativos nas áreas de optoeletrônica, fotônica, câmeras digitais e sensores. Este progresso estimula o desenvolvimento de inúmeras novas técnicas e instrumentos para várias tarefas de medição, sendo  atividade metrológica importante para estabelecer a rastreabilidade à unidade do sistema internacional (SI metro) [5-6].

Os novos instrumentos apresentam um desempenho superior com um vasto aumento da velocidade de aquisição de dados. A saída típica de tais instrumentos é a sequência das imagens que formaram o cubo de dados representando o volume no espaço 3D. Tecnicamente, o volume é representado pelo conjunto de dados 4D, porque cada ponto carrega 3 coordenadas mais o valor da intensidade do sinal. Esta é uma grande quantidade de dados que exigem avaliação quantitativa rápida. A interpretação dos dados nessas condições não é uma tarefa simples. São necessárias algumas ferramentas computacionais específicas para auxiliar neste processo.

Visualização Científica é uma área interdisciplinar da ciência dedicada a processamento e ilustração gráfica de dados que auxiliam seus usuários na compreensão de dados e fenômenos envolvidos [7]. O mais importante é que a visualização correta não só ajuda a visualizar melhor, mas também permite que o usuário obtenha um novo conhecimento de dados. Isso significa que a visualização científica através da exploração interativa de dados permite descobrir coisas que são impossíveis de observar de outra forma.

Atualmente, o Inmetro possui vários instrumentos ópticos que utilizam conjuntos de dados 3D ou 4D, incluindo Microscópio de Interferência para Nanometrologia em 3D [8], Microscópio Confocal para ciências de vida, unidade de Tomografia de Coerência Óptica (OCT).  O projeto de pesquisa associado à visualização científica de dados complexos está em desenvolvimento no Inmetro. Nas Figuras 1 e 2 podemos observar imagens geradas no Microscópio de Interferência e OCT que está sendo utilizado no Inmetro.

Figura 1. O microscópio de interferência para nanometrologia e superfícies medidos / visualizados com software proprietário no Inmetro – Divisão de Metrologia Óptica (Diopt).

Figura 2. Medições obtidas com tomografia de coerência óptica. Dados crus (múltiplas imagens de pilha em preto e branco) e resultado de visualização científica (superfície amarela). Observe a dificuldade em analisar a pilha de imagens e a facilidade em observar a estrutura porosa do objeto após a visualização adequada.

O Microscópio de Interferência para Nanometrologia tem como ponto de partida o sistema interferométrico Linnik desenvolvido no Inmetro, que teve como objetivo ter no país um sistema de referência para medição de padrão de altura (Step Heights), usados na área de comprimento. Com esse sistema também foi possível prover rastreabilidade na área de nanotecnologia, calibrando OCTs, Microscópios Confocal (MC) e de Força Atômica (AFM).

Referências

1. Burke T et al. Aug 2011 Co-nanomet European Nanometrology 2020.
2. Leach R K 2011 Optical Measurement of Surface Topography (Berlin: Springer)
3. G Wilkening and L Koenders 2005 Nanoscale Calibration Standards and Methods: Dimensional and Related Measurements in the Micro- and Nanometer Range  (Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA)
4. Leach R, Sherlock B Applications of super-resolution imaging in the field of surface topography measurement  Topogr.: Metrol. Prop. 2  2014  023001 (12pp)
5. Quinn T J Practical realization of the definition of the metre, including recommended radiations of other optical frequency standards Metrologia 40 2003
6. Koenders L WGDM-7: Preliminary comparison on Nanometrology according to the rules of CCL key comparisons 2003 Nano 2, Step height standards, Metrologia 40 04001.
7. Wright H 2007 Introduction to Scientific Visualization (Springer-Verlag London)
8. Malinovski I, França R S, Bessa, M S, Silva C R, Couceiro I B Coherent double-color interference microscope for traceable optical surface metrology Surface Topography: Metrology and Properties 4 2016

1 Laboratório de Interferometria (Laint)

2 Divisão de Metrologia Óptica (Diopt)

Diretoria de Metrologia Científica e Tecnologia (Dimci)

Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia (Inmetro)