Á ti f lké íté h i ELI j ktt l ö fü ő ké é i é K F f l d t k "„Ágazati felkészítés a hazai ELI projekttel összefüggő képzési és K+F feladatokra"
Optikai mérési módszerek
Márton Zsuzsanna (1 2 3 4 5 7)Márton Zsuzsanna (1,2,3,4,5,7)Tóth György (8,9,10,11,12)
Pálf l i Lá ló (6)Pálfalvi László (6)
TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 1
3. előadás
Néhány fényen alapuló mérési eljárás
A teljesség igénye nélkül bemutatunk néhány olyan mérési módszert, amelyek a fényt mint mérőeszközt használják fel.
• Lézeres távolságmérés• Lézer Doppler sebességmérés, pp g• Fényszóráson alapuló aeroszol- és hidroszol- koncentrációmérések, • Ellipszometria
TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 2
Lézeres távolságmérésgLézeres távolságmérési technikák:
• Trianguláció• Repülési idő mérése (time of flight)• Fázistolás mérése• Fázistolás mérése• Frekvencia moduláción alapuló mérés• Interferometrikus módszerek
Előnyök: nagy pontosság és érzékenység, nagyon gyors mérés (MHz-es sávszélesség), széles gy p g y g, gy gy ( g),mérési tartomány.Viszont nem mind egyetlen eszközben!
Alkalmazás: építészet, térinformatika, közlekedés, haditechnika, gépi „látás” stb.
TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 3
Piacon kapható eszközök.
Lézeres távolságmérés
Tükröződés és diffúz visszaverődés
Ált láb 670 diód lé• Általában 670 nm-es dióda lézer• A foltméret meghatározza a mérési
pontosságot
Távolságmérés
• Detektor: pozíció érzékelő analóg detektor (PSD) vagy diódasor, CCD
TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 4
Távolságmérés tükröződő felületen
Lézeres távolságmérés - alkalmazásokgA Mona Lisa részletes felmérése háromszögeléses 3D LIDAR felmérésfelmérése háromszögeléses módszerrel
3D LIDAR felmérésLIght Detection And Ranging
• a „repülési idő” mérésea „repülési idő mérése• nagy hatótávolságú• viszonylag pontatlan• fluoreszcens LIDAR: anyagi „Szintvonalak” y g
minőségre is érzékenyEnyhén deformálódott hordozó
http://media3.s-nbcnews.com/j/msnbc/Components/Photos/060927/060927 monalisa bcol 830a grid
TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 5
060927/060927_monalisa_bcol_830a.grid-4x2.jpg http://cast.uark.edu/samaipata/image/project_scan.jpg
Lézer Doppler sebességmérésRészecske, vp erősítő
lézernyaláb
:effektusDopplerve vv
ydetektorapertúra
frekvenciatkibocsátotaahol
),(11
bprb
pb
cve
cve
br
f
eev
fffppr
pb
λvv
v
vv −+≈−−
=
sebessége részecske a frekvencia mért helyén detektor a
,frekvencia tkibocsátot a ahol
p
r
b
vff
oregységvekt mutató felé detektor a őlrészecskét a oregységvekt mutató irányába nyaláb a,
,pr
b
p
ee
TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 6
zahullámhoss nyaláb a ,bλ
Lézer Doppler sebességmérésxv
• A két nyaláb ellentétes előjelű Doppler
pv
2e− 1eeltolódást okoz
• Nem a nagyon kis Doppler eltolódást mérjük közvetlenül, hanem a két
2e
θ / 2
1e
j ,frekvenciában eltolódott jelből származó lebegés frekvenciáját.
• A lebegési frekvencia elég kicsi ahhozA lebegési frekvencia elég kicsi ahhoz, hogy a fotodiódával mérni lehessen.
Lebegési frekvencia sebesség
( )v
:jafrekvenciálebegésA
g g
TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 7
( )cvf
cv
eeffff xbc
vepbbbrrd
ppr θsin21)(1
2121 ≈−−=−=−vvvv
Lézer Doppler sebességmérés
• A két beeső lézernyaláb• A két beeső lézernyaláb átfedésénél interferencia csíkoktmért
Jel
• Ha a csíkok távolságának nagyságrendjébe eső kis részecske mozog a csíkokra Idő gmerőlegesen => periodikusanváltozik a szórt fény intenzitásaintenzitása
Repülési idő sebesség
TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 8
Lézer Doppler sebességmérés -a mérőeszköz felépítése
Lézer Leképezőoptika Detektor
HeNeAr-IonNd:Yag
NyalábosztóAkromát lencse
GázFolyadékRészecske
Akromát lencseTérszűrésPMT
J lf ld l á J lk dí i álá
Nd:YagDióda
Részecske PMTFotodióda
PC Jelfeldolgozás Jelkondícionálás
Spektrum analizátor Erősítő
PC
pKorrelátorSzámláló
Szűrő
TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 9
Lézer Doppler sebességmérés - alkalmazások • Szélcsatorna kísérletek (autók, repülők épületek körüli áramlások)• Áramló folyadékok vizsgálata (csővezetékek, hajótestek tervezése,
é á lá )véráramlás)• Környezeti kutatások (robbantások vizsgálata, hullám dinamika, árapály
modellezés stb.)• Turbulenciák vizsgálata• Stb.
2 komponensű sebességmérés egy helikopter modell körül szélcsatornában
TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 10
https://www.adinstruments.com/products/laser-doppler-probeshttp://www.dantecdynamics.com/laser-doppler-anemometry
Részecskék méreteloszlásának mérése fé ó á k l áfényszórásuk alapján
Fényszórás különböző mérettartományokban α méretparaméter szerint, y y p(Dp a részecske mérete)
λπ
α pD=
szórás-Rayleigh 1. ,1<<α
62
2
24
2
2
0 2212
2cos1
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+−
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
= pDnn
RII
λπθ
A Mie-szórás intenzitásának méretfüggése vízcseppeken
I0 bemenő intenzitásI szórt intenzitásλ lézer hullámhosszθ szórási szögR a részecske távolsága
λ=633 nmθ =4-12°n=1.33
szórás-Mie 2. ,1≅α
gn törésmutató
http://www.cas.manchester.ac.uk/restools/instruments/aerosol/opc/mie/index.html
Bonyolult összefüggés
TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 11
szórás Geometriai 3. ,1>>α 20 ),( pDnKII θ= K(n,θ) szögtől és törésmutatótól függő tényező
A Mie-szórás irány szerinti eloszlásahttp://omlc.ogi.edu/cgi-bin/mie_angles.cgi?diameter=1.0&lambda_vac=0.6328&n_medium=1.0&nr_sphere=1.5&ni_sphere=0&n_angles =100&density=0.3
On-line számoló program:
y
PolarizációSzórt intenzitás logaritmusa
A beeső fény irányaA beeső fény iránya
TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 12
Részecske számláló eszközök• Nincs egyszerű kapcsolat a részecskeméret és a szórt intenzitás közt
ismert méretű részecskékkel kalibrálni kell• Ahhoz, hogy egy részecskéről szórt fényt detektálni tudjunk intenzív
fényforrás kell lézer.• Csökkenő részecskeméret Rayleigh-szórás• 100 nm alatti részecskeméretnél a nagy intenzitás rezonátoron belüli
elrendezéssel valósítható megelrendezéssel valósítható meg
•Measuring principle: Mie Scattering Theory according ISO 13320•Measuring range: 0.01 µm - 3000 µm
TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 13
Rezonátoron belüli részecskeméret meghatározás •Type of analysis: dry and wet analysis
http://www.retsch-technology.com/rt/products/laser-light-scattering/?gclid=CNSD-4K8v70CFeXLtAodcBUA8Q
Fá i D l t iFázis-Doppler anemometria
1. detektor• Nagy részecskék esetén a belső
visszaverődések miatt a különbözővisszaverődések miatt a különböző irányokba visszavert jel különböző fázisban érkezik.
• A detektorok által mért jelek• A detektorok által mért jelek fáziskülönbségéből a méret (nem túl kis részecskékre) meghatározhatóH fá i külö b é bb i t 2• Ha a fáziskülönbség nagyobb mint 2π, akkor a méretben bizonytalanság lép föl.
2. detektor • Ez 3 detektoros rendszerrel elkerülhető
TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 14
EllipszometriapA mérés elve:
• A polarizáció megváltozását mérjük miközben a fény áthalad egy anyagon vagy visszaverődik arról
• A mért mennyiségek: amplitúdók aránya (Ψ), fáziskülönbség (Δ)• Elsősorban rétegvastagság és a réteg optikai tulajdonságainak
meghatározására használjákg j• A rétegvastagság 10-10 m-ig, azaz 1 Angströmig mérhető!• További kinyerhető információk: pl. összetétel, kristályszerkezet,
érdesség szennyezők koncentrációjaérdesség, szennyezők koncentrációja
TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 15
A fény polarizációja)cos()cos()( ϕωω Δ+−+−= kztEekztEetE yyxx
vvv
Δϕ=0°: lineárisan polarizált Δϕ=random: polarizálatlan ϕ 0 eá sa po a á t ϕ p
Δϕ=90°: cirkulárisan polarizáltΔϕ=konstans: általános eset, elliptikusan polarizált
TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 16
elliptikusan polarizált
Fényterjedés az anyagbanMeghatározó anyagi paraméterek:
• A komplex törésmutató: ,~ iknn +=A komplex törésmutató:ahol n a szokásos törésmutató, k az extinkciós koefficiens
,iknn +
,~21 εεε i+= ~~ 2n=ε
• A fénysebesség az anyagban v, vákuumban c:
,21 εεε i+ .n=ε
ncv =
• k az extinkciós koefficiens, ami az anyag fényelnyelő képességével van kapcsolatban.
n
πk4
B L b t tö é ( él é b é t i t itá h I(0) b ő
λπα k4
=
• Beer-Lambert törvény (a z mélységben mért intenzitás, ha I(0) a beeső intenzitás):
zeIzI α−= )0()(
TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 17
A Fresnel-formulák
)cos()cos()cos()cos(
0
0
ttii
ttii
i
rs nn
nnEEr
φφφφ
+−
=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
)cos()cos()cos()cos(
)cos()cos(
0
0
0
itti
tiit
pi
rp
ttiisi
nnnn
EEr
φφφφ
φφ
+−
=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
⎠⎝
)cos()cos()cos(2
)()(
0
0
0
ttii
ii
si
ts
ittipi
nnn
EEt
φφφ
φφ
+=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
⎠⎝
)cos()cos()cos(2
)()(
0
0
0
itti
ii
pi
tp
ttiisi
nnn
EEt
φφφ
φφ
+=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
⎠⎝
p⎠⎝
• Leírják a reflektált és a transzmittált térerősség s és p komponenseit a b ő té ő é h i ítbeeső térerősséghez viszonyítva
• Vékonyrétegeken és többrétegű struktúrákon való áthaladáskor követni kell minden komponens relatív fázisát, mert ezek interferenciája adja a teljes
f f
TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 18
reflektált vagy transzmittált fényt.
Fényvisszaverődés vékonyrétegen• Vezessük be a vékonyréteg β fázisvastagságát! • Ezzel és a Fresnel-formulák segítségével számolhatjuk a
többszörös reflexió hatását a reflektált nyaláb intenzitására és
1 ⎟⎞
⎜⎛ t
többszörös reflexió hatását a reflektált nyaláb intenzitására és fázisára.
01rβietrt 2
101201−
)cos(2 111 Φ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛= ntλ
πβ
0~n
101201βietrrrt 4
1012101201−
φ0
1~n φ1t1
2~n
19TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt
Az ellipszometriai mérés elve • Az s és p komponensek reflexió vagy
transzmisszió során megváltoznakg• Az emiatt bekövetkező eredő polarizáció
megváltozást ΔΨ= ie)tan(ρ
alakban szokás felírni, ahol
)(ρ
sp RR /)tan( =Ψ a relatív amplitúdó gyengítéssp)( a relatív amplitúdó gyengítés
)arg()arg( sp RR −=Δ a relatív fázistolás az sés p polarizáció közt a
fl ió áforgó analizátor
A forgó analizátor periodikusanváltozó jeléből
reflexió során
polarizátorváltozó jeléből visszaszámolhatók az „effektív” anyagi paraméterek.(ha nincs felületi réteg pl
20TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt
(ha nincs felületi réteg, pl. oxidmentes a felület)
Az ellipszometriai mérés kiértékeléseMérés
Modell n rétegre az anyagi tulajdonságok előzetes becslésével
A modell illesztése a mérési adatokhozAz illesztendő paraméterek számát a minta információ
t t l h tátartalma határozza meg
Az illesztési paraméterek változtatásával optimalizáljuk az illeszkedés jóságát leíró mennyiséget (pl. MSE)
Eredmény: törésmutató (n), extinkciós koefficiens (k), réte asta sá érdessé (ro hness) stb
21TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt
rétegvastagság, érdesség (roughness), stb.